IKOT-PROJEKT Kontaktdon till en el-bil Utveckling och konstruktion av ett nytt, robust och säkert kontaktdon till Volvos nya elbilar. Rapporten innehåller alla steg inom produktutvecklingen från skapande av projektgrupp till färdig prototyp. Grupp E4: Martin Carlsson, David Sandelind, Yvonne Platon, Christian Liebert, Erik Andersson Handledare: Gauti Asbjörnsson 2011-05-02
SAMMANDRAG Uppgiften i kursen Integrerad Konstruktion och Tillverkning gavs av Chalmers Tekniska Högskola i samarbete med Volvo och bestod av att utveckla en ny låsmekanism till ett kontaktdon till Volvos nya elbilsmodell, Volvo C30 Electric. I händelse av en olycka eller service av bilen ska strömmen kunna brytas genom att ett kontaktdon i anslutning till en strömdosa dras ut. Under utvecklingsprocessen av Volvo C30 upplevdes att bortkopplingen tar för lång tid då kontaktdonet är fastsatt med en skruv och kräver specialverktyg. För att uppfylla kraven på hög säkerhet söktes en ny intuitiv lösning som inte kräver specialverktyg och som snabbt kan kopplas bort i händelse av en olycka. De avgränsningar som gjordes var att fokusera på enbart låsmekanismen och kontaktdonet, utan att ändra på de elektriska komponenterna. Målet var att på ett ingenjörsriktigt sätt genomföra produktutvecklingsarbetet från uppdrag till färdig produkt i samarbete med uppdragsgivaren, Volvo. Metoderna som användes under utvecklingsarbetet följde kurslitteraturen The Value Model och delades in i olika steg. En kartläggning av kundens röst gjordes genom att definiera marknadssegmentet och identifiera alla röster som påverkar projektet; från användare, återförsäljare, producenter och distributörer till återvinnare. Genom intervjuer med Räddningstjänst upptäcktes ytterligare krav och önskemål på funktioner i slutprodukten. För att inte återuppfinna hjulet gjordes en noggrann analys av konkurrenternas lösningar samt en genomgång av Patent och Registreringsverkets register på låsmekanismer inom olika områden. På detta sätt kunde en referenslösning tas fram och utvecklas enligt de produktutvecklingsmetoder som beskrivs i The Value Model. Efter noggranna analyser ansågs det framtagna konceptet Excenterlås uppfylla kraven på snabb bortkoppling av kontaktdonet, intuitiv användning och säkerhet. Ett excenterlås förskjuter låsmekanismen från centrumaxeln, vilket ökar kraften vid låsning. Excenterlås finns i många olika varianter och används flitigt inom många industrier, vilket anses hålla ner kostnaden då denna kan beställas utifrån. Det anses vara ett intuitivt lås som uppfyller de krav som kunder och användare ställt.
INNEHÅLLSFÖRTECKNING Inledning... 2 Metod och material... Fel! Bokmärket är inte definierat. Material... Fel! Bokmärket är inte definierat. Erhållet material... Fel! Bokmärket är inte definierat. Metoder... 6 Resultat och diskussion... Fel! Bokmärket är inte definierat. Kostnadsuppskattning och materialval... 9 Slutsats... 10
INLEDNING Under utvecklingsarbetet av Volvos elbilsprojekt C30 Electric upptäcktes problem vid bortkoppling av spänningen, då specialverktyg krävdes tog bortkopplingen alldeles för lång tid. Då en olycka inträffar är det viktigt att räddningspersonal kan koppla bort spänningen inom enstaka sekunder för att snabbt kunna starta räddningsarbetet. Med bakgrund till detta har Volvo gett i uppdrag att utveckla en mekanisk låsdonsmekanism som har möjlighet att kopplas från och till vid exempelvis service av bilen eller olycka. Låsdonsmekanismen skall ha direkt kontakt till huvudströmmen och elen i hela bilen skall brytas omedelbart om kontakten kopplas ur. Tjänstemän som mekaniker och brandmän har tidigare uttryckt problem med den gamla opraktiska lösningen som har tagit för lång tid att avlägsna. Den nuvarande lösningen är stationär och därför har Volvo valt att ställa nya krav för att behålla sitt rykte om att vara bäst på säkerhet. Den gamla lösningen är otymplig och oflexibel men den har god potential och kan modifieras till en godkänd lösning. Vid första mötet med Volvo gavs en genomgång på kravspecifikationen och en demonstrering på hur den nuvarande lösningen såg ut och vilka funktioner som skulle utvecklas, hur de olika funktionerna viktades och vad som bör prioriteras. I bild 1.1 visas den gamla lösningen, mellan de två kablarna ses en torxskruv som var tvungen att avlägsnas innan kontaktdonet kunde kopplas loss. För detta behövdes ett verktyg som räddningspersonal inte alltid har tillgängligt. Dessutom kunde bortkopplingen ta upp en till minut. Med hänsyn till detta var det naturligt att de höga prioriteringarna låg på bland annat att låsdonet ska kunna kopplas loss med en hand, ta mindre än fem sekunder att kopplas bort samt att det ej ska behövas verktyg. Andra önskvärda funktioner är att lösningen ska vara intuitiv, smidig samt ha någon sorts indikator (både för korrekt mekanisk koppling och spänning). Bild 1.1 Ursprunglig lösning För att få en bättre översikt delades systemet in i fyra delar: Låsmekanism, dekal, indikator och isolering. Låsmekanismen: Uppgiften är att låsa fast kontakten mot spänningsmottagaren. Den ska fixera kontakten med tillräcklig kraft att glapp aldrig uppstår. Dekalen: Syftet är att ge tillräckliga instruktioner för att en förstagångsanvändare ska kunna hitta kontaktdonet samt förstå hur låsmekanismen fungerar. Indikator: Kan delas upp i två olika indikatorer, en som indikerar korrekt mekanisk 2
fastsättning av låsdonet samt en som indikerar pålagd spänning. Isolering: Ska isolera kontaktdonet för att skydda användaren vid normal användning. Organisation och avgränsningar Vid projektstarten delades projektet upp i ansvarsområden genom användning utav ett milstolpediagram, se bilaga 2. Fokus lades på att allt administrativt arbete skulle vara klart innan produktutvecklingsarbetet startades. Fördelen med detta är att det existerar klara riktlinjer om hur arbetet ska genomföras. Avgränsningar sammanställdes inom ett antal olika områden: Chalmers Budgeten för hela projektet sattes till 3000 sek Tillgång till två handledda tillfällen i prototyplabbet. En grupp bestående av högst 5 medlemmar samt vägledning av en handledare. Arbetet startade läsvecka 1 i januari månad och ska vara avslutat den 26 maj 2011. Volvo Ändringar fick inte göras på elektroniken utan endast det utvändiga. Låsmekanismen fick inte flyttas vilket gav en del dimensionsbegränsningar. För att kunna inhämta lämplig användbar information ställdes ett antal frågeställningar: Vilka kommer i kontakt med produkten? De som främst kommer i kontakt med produkten är inte bilens ägare utan räddningstjänst och mekaniker. Det är alltså deras krav och önskemål som är viktiga att uppfylla. Bland dem som kommer i kontakt med produkten finns även Volvo då de är projektets uppdragsgivare. Finns det redan en existerande lösning på en annan bilmodell? Genom studiebesök hos olika bilhandlare undersöktes de olika existerande lösningar på samma funktion, att bryta spänningen. Kan man använda sig av någon annan existerande produkt för att lösa problemet? Genom att gå igenom patent- och registreringsverket inhämtades information från andra marknadssegment som skulle kunna vara användbara. Informationen sammanställdes och bearbetades på ett systematiskt sätt, mer om detta i nästkommande kapitel Metod och material. 3
METOD OCH MATERIAL Material Vid första kontakten med Volvos representanter Rickard Arvidsson och Bengt Axelsson tilldelades projektgruppen alla de krav som Volvo ställde på sin produkt. De hade tagit med en prototypbil och det gavs tid till undersökning av usprungslösningen och komponenterna kring denna. Med denna information fick vi reda på vad som kunde ändras och vad som inte fick inkräktas på. Vid ett senare tillfälle fick gruppen möjlighet att träffa Rickard igen för att ta upp frågor och funderingar som dykt upp. Då informationen inte ansågs tillräcklig för att skapa en komplett produkt samlade gruppen in material från andra källor. Denna erhölls bland annat genom kontakt med alla relevanta led i produktens livscykel som till t.ex. räddningstjänst. Vidare genomfördes även en grundlig inventering av befintliga produkter och patent. Meningen med detta var att undvika onödigt utvecklingsarbete av en produkt som redan existerar på marknaden. Nedan följer en genomgång av materialet som erhållits från respektive källor. Erhållet material Volvo De krav som tilldelades vid första kontakten bestod av en kravspecifikation, se tabell 2.1. En CAD-modell tilldelades också vilket tas upp mer noggrant senare. Det vi kan se sammanfattningsvis är att målet ska vara att skapa en produkt med minimala dimensioner samt med maximal säkerhet och användarvänlighet. Fokus skall ligga på att användaren intuitivt ska kunna förstå och använda produkten utan instruktion även om det från intervjun framgick att det ändå ska existera en tydlig och instruerande dekal för att undvika missöden. Kravspecifikation Krav Vikt Säker intuitiv och enkel lösning 5 Kostnad 4 Vikt 3 Robust 5 Platskrävande höjd 5 Platskrävande bredd 1 Platskrävande längdled 3 Eventuellt interface till 5 brandman/makaniker skall vara isolerat (1kV) Kunna tas bort utan att använda verktyg 5 Kunna tas bort genom att bara använda en 5 hand Kunna tas bort på <5 sek 5 Tabell 2.1 4
Vid intervjun med Rickard fick vi även möjlighet att ställa frågor angående den existerande lösningen, se bild 2.1. Detta gav utökad förståelse till varför kraven existerar och är viktade som de är. Tillfället att analysera den existerande lösningen på plats gav oss även möjlighet att sätta upp begränsningar på hur en ny konstruktion skulle kunna se ut. De kommande ändringarna ifrån denna konstruktion som var tvunget att ta i beaktande var att kontakten till den svarta kabeln ovanför de brandgula kablarna skulle flyttas för att istället sitta emellan dessa. Detta medförde att utrymmet mellan kablarna inte kunde utnyttjas. Bild 2.1 Ursprunglig lösning Vid intervjun erhölls även information om en önskad indikator för att visa användaren ifall spänning är pålagd samt en indikator för att visa när kontakten är korrekt låst. Dessa önskemål var dock inga krav utan skulle appliceras ifall det inte blev för komplicerat eller kostsamt. I CAD-modellen från Volvo gavs möjligheten att få exakta mått och något att bygga vår egen CAD-modell runt, se bild 2.2. Då det endast var kontaktdonet, se del 2 bild 2.2, som erhölls tvingades gruppen att anta vissa dimensioner på spänningsmottagaren, se del 1 bild 2.2 för att kunna skapa en fungerande modell. Bild 2.2 CAD-modell på framtaget koncept 5
Räddningstjänst För att utöka informationsunderlaget kontaktades Håkan Johansson, Räddningsledare Rsg Kungsbacka. Detta genomfördes eftersom den främsta anledningen till att Volvo behövde en ny konstruktion var att den befintliga inte gick att frikoppla snabbt vid olycka. Den informationen som delgavs var mycket lik informationen från Volvo förutom på en punkt. Istället för att bara ha ett sätt att bryta strömmen skulle det finnas två stycken i skilda delar av bilen, då den ena kan bli otillgänglig efter en krock. Han påpekade även vikten av att det skulle vara extremt enkelt att förstå hur konstruktionen fungerade då det inte finns tid att tänka efter vid en olycka. Marknadsundersökning För att undvika onödigt utvecklingsarbete undersöktes om det fanns befintliga lösningar eller dellösningar som kunde användas till konstruktionen. Efter genomförd undersökning valdes att hämta inspiration från det lås som sitter på skidpjäxor då detta lås är robust, intuitiv och kan snabbt kopplas bort med en hand. För att undersöka konkurrenternas sätt att bryta strömmen i befintliga el-/hybridbilar, gjordes studiebesök hos bilhandlare. Det som noterades var att en standardlösning saknades, alla genomgångna modeller hade olika sätt att bryta strömmen. Metoder För att öka förståelsen av produkten delades problemet upp i delsystem som integrerar med varandra på olika sätt. Fördelen att arbeta på detta sätt är att fokus lades på att lösa det ursprungliga problemet till varje delsystem och kombinera dessa, istället för att skapa ett färdigt koncept direkt. Lösningar till varje delproblem togs fram genom brainstorming och de tidigare nämnda marknadsundersökningarna. För att få fram färdiga koncept kombinerades alla olika dellösningar med varandra, på så sätt togs ett 20-tal koncept fram. För att kunna välja ut det bästa konceptet jämfördes alla koncept mot en referenslösning i ett antal matriser: Elimineringsmatris, se bilaga 3 I denna matris eliminerades de koncept som inte uppfyllde alla krav som kravspecifikationen ställde på produkten. Pughmatris, se bilaga 4 I Pughmatrisen ställdes alla kvarvarande koncept mot varandra för att se vilka koncept som var bäst på olika delfunktioner. Viktad Pughmatris, se bilaga 5 Denna matris fungerar på samma sätt som den vanliga Pugh-matrisen med den skillnaden att denna är viktad vilket medför att koncept som är starka inom viktiga delfunktioner får bättre betyg. Efter genomförda matriser återstod ett vinnande koncept. I detta skede fokuserades det på att arbeta fram små förbättringar på detta koncept. För att systematisera genomförandet användes ett antal olika steg där produkten analyseras ur olika synvinklar. Dessa kallas för re-stegen: Re-use: En systematisk process för att identifiera starka och svaga sidor av referensen. Komponenter som har hög funktionalitet, är billiga och ej bundna till några oönskade funktioner kan återanvändas. Re-inforce: En systematisk process för att introducera undersystem och därmed öka kvalitén eller skapa nya funktioner och minska oönskade funktioner. 6
Re-duce: En systematisk process för att ta bort delfunktioner eller komponenter för att öka kundvärdet eller skära ner kostnaden, utan att för den delen minska på funktionaliteten. Re-fine: En systematisk process för att optimera och trimma huvud- och delfunktioner för att göra ett koncept ännu bättre. Efter dessa steg kunde det slutgiltiga konceptet modelleras i CAD, se bild 2.2. Denna CAD-modell användes till att skapa ritningar som underlag till prototypbygget samt att göra datorbaserade funktionsanalyser. 7
RESULTAT OCH DISKUSSION Syftet med hela projektet var att skapa ett enkelt och smidigt sätt att låsa fast samt lossa ett kontaktdon från strömmatningen i en Volvo C30 Electric. Problemet med den gamla lösningen var att den var mycket oflexibel i samband med olyckor och service då man vill avlägsna kontakten på en så kort tid som möjligt, speciellt i olyckssammanhang. Har projektet genererat en lösning för detta? Eftersom det i dagsläget redan finns liknande lösningar hos konkurrenter har undersökningar gjorts hos andra biltillverkare. Dessa undersökningar har bidragit till olika idéer till grundfunktionen samt delfunktioner som produkten skall uppfylla. Arbetsmetoden i kurslitteraturen The value model har använts vilket har bidragit till att framtagningen av produkten blivit så effektiv och praktiskt som möjligt. Det valda konceptet som tagits fram består av en mekanisk låsmekanism som enkelt kan låsas fast med hjälp av en hake på strömdosan, se bild 3.1. Konceptet medför en enkel mekanisk lösning som är billig och intuitiv. Kraven som sattes upp var att till- och frånkoppling skall ske på max fem sekunder, kunna utföras med en hand samt att inga verktyg ska behövas. Bild 3.1 Lösningen till problemet är att ett excenterlås svetsas fast ovanpå kontaktdonet som då ska låsas fast med hjälp av en hake på strömdosan som nämnts ovan. För att excenterlåset skall sitta fast ordentligt har formen på kontaktdonet ändrats så att toppen är plan och aningen upphöjd. Excenterlåset bidrar även till en förspänning vilket minimerar vibrationer och utmattning. I projektets gång stöttes ännu ett problem på vilket var att kontakten kan vara trög att få loss. Detta problem löstes med att modifiera haken till en dubbelhake, se pil i bild 3.1. Detta gör att excenterlåsets hävarm kan utnyttjas vid bortkoppling till att trycka ut kontakten, se bild 3.3. Tillverknings- och underhållskostnaderna kommer att vara låga tack vare den låga komplexiteten. 8
För att kunna göra fysiska prover och analyser tillverkades en prototyp. Som underlag för detta skapades först ritningar på alla komponenter, detta gjordes utifrån CAD-modellen. Prototypen valdes att tillverkas utav andra material än den slutgiltiga produkten, detta främst på grund av ekonomiska skäl. Detta gäller inte excenterlåset som köptes in i det utförande som den slutgiltigt ska ha. [Resultat från tester och hållfasthetsberäkningar är vid skrivande stund inte klara, dessa kommer att kompletteras med senare.] Kostnadsuppskattning och materialval För underlag till kostnadsuppskattning och prototypbygge skapades ritningar samt en CAD-modell. Ritningar finns endast på de komponenter som vi kommer att lägga till på Volvos ursprungliga lösning: Bottenplatta att fästa låset på samt excenterlås och krok. Ritningar kan ses i bilaga 1. Cad-modell Cad-modellen är gjord i Inventor och är skapad runt modellen på ursprungskontakten som gjorts av Volvo, se den gulfärgade komponenten i bild 3.1 samt 3.2. Bild 3.2 Bild 3.3 Materialen som valdes var gjutjärn till samtliga komponenter förutom excenterlåset, detta kommer att köpas in externt och kommer att vara tillverkat av kolstål alt. Rostfritt stål. Varför gjutjärn valdes till övriga komponenter var eftersom de ska gjutas då detta blir billigare. Det totala priset för en komplett produkt har enligt SWIFTmetoden uppskattats till 94 sek, se bilaga 6. 9
Bild 3.4 Dekal Slutsatser Det slutgiltiga resultatet kan ses i bild 3.1 och 3.2 Konceptet löser alla delproblem på ett bra sätt. Framförallt löser det huvudfunktionen på ett bra sätt, nämligen att användaren ska kunna koppla loss kontakten snabbt med en hand. Det löser också ett problem som uppkom mitt under projektets gång, nämligen att kontakten är så pass trög att dra ut att bara momentet kan utföras med två händer. Med denna lösning så finns en extra vägg på kroken där excenterlåset hakar fast. Detta gör att när man låser upp excenterlåset kan man trycka fram låsets handtag lite längre, se bild 3.3, detta ger en hög kraft på grund av hävarmen vilket underlättar bortkopplingen avsevärt. Eftersom materialet kommer att vara mestadels gjutjärn så kommer korrosionsskyddet inte att vara optimalt, men miljön uppskattas vara tillräckligt bra att produkten inte kommer att korrodera sönder under dess livstid. Det kommer även att finnas en dekal, se bild 3.4, som upplyser användaren om dels den höga spänning som finns i kablarna och dessutom om hur denna ska gå tillväga för att använda produkten. I inledningen av denna rapport togs också upp att produkten skulle kunna ha två olika indikatorer. En som visar om spänningen är pålagd och en som visar om kontakten är korrekt fastkopplad. Indikatorn som skulle visa pålagd spänning lades ner helt, dels då denna ansågs oekonomisk att ha med och dels för att det är osäkert att förlita sig på den när det gäller så höga spänningar då risken för fel alltid finns. Däremot byggdes indikatorn som visar korrekt påkopplad kontakt in i excenterlåset. Hävarmen visar här om kontakten är påkopplad korrekt eller ej. För att förbättra produkten i framtiden kan man gå ner i hållfasthetsklass. Om man gör detta sparar man resurser, minskar miljöpåverkan och förbättrar ekonomin. Det skulle även vara möjligt att minska storleken på excenterlåset, minska tjockleken och höjden på kontaktdonet eller byta till ett lättare eller billigare material. Om en framtida produkt önskas utvecklas behöver inte projektet startas om från början med konceptgenerering utan det skulle räcka med en optimering. 10
KÄLLFÖRTECKNING Webbsidor: Kurshemsida https://pingpong.gate.chalmers.se/courseid/853/launchcourse.do 2010-05-16 Svenska patentdatabasen http://www.prv.se/spd/search?lang=sv&tab=1 2010-02-15 Litteratur: Burenius,J & Lindstedt,P. 2006. The Value Modell. Nimba AB Swift, K.G. & Booker, J.D. 2003. Process Selection. ELSEVIER SCIENCE & TECHNOLOGY 11
BILAGA 1 RITNINGAR 12
BILAGA 2 MILSTOLPEPLAN 13
BILAGA 3 ELIMINERINGSMATRIS 14
BILAGA 4 PUGHMATRIS 15
BILAGA 5 VIKTAD PUGH-MATRIS 16
BILAGA 6 KOSTNADSBERÄKNING 17