EXAMENSARBETE Improvement of retention system design Alexandra Johansson och Carina Nässén Sports Tech, vt 2007 Maskinteknik C, 10 p
Förord Detta examensarbete ingår som en del i programmet Innovativ produktutveckling med inriktning på Sport och upplevelser 120 poäng vid Mittuniversitets institution för teknik, fysik och matematik våren 2007 i Östersund. Examensarbetet utförs på uppdrag av Idesign Sweden AB. Målet med arbetet är att hitta alternativa lösningar till band- och låsfunktioner till cykelhjälmar. Arbetet innefattar även konstruktion av funktionsmodeller samt kvalitativa användarutvärderingar av dessa. Det finns många personer som hjälpt oss under arbetets gång som vi vill rikta ett tack till. Vi vill först och främst tacka Johan Larsvall och Torbjörn Höjer på Idesign Sweden AB för goda råd och inspirerande diskussioner. Vi vill tacka vår handledare Peter Carlsson för god feedback, Marie Lund för all hjälp med antropometrifrågor, Klas-Gustaf Andersson på SP, Sveriges Tekniska Forskningsinstitut, för all information och tolkning kring standarder, Marie Cronskär för handledning i SolidWorks, Lars-Erik Rännar för hjälp med friformsframställningen och Joakim Holmberg för hjälp med SolidWorks. Östersund i juni 2007 ------------------------------------ ---------------------------------------- Alexandra Johansson Carina Nässén
Sammanfattning Den här rapporten är resultatet av ett innovativt produktutvecklingsprojekt genomfört av Alexandra Johansson och Carina Nässén som examensarbete till Sports Tech programmet vid Mittuniversitetet i Östersund. Uppdraget från designkonsultföretaget Idesign Sweden AB bestod av att utveckla band- och låsfunktionen till cykelhjälmar. De hade identifierat behovet av att förbättra lösningarna för kvarhållning av hjälmen, då övriga delar av en cykelhjälm är välutvecklade så har band- och låsfunktionen förblivit relativt oförändrade. Arbetet inleddes med att utforska ämnet genom att samla in all tänkbar information. Studier av vilka produkter som finns på marknaden, patentsökningar och noggrann analys av standarderna som personlig säkerhetsutrustning måste följa har genomförts. Kvarhållningssystemets huvuduppgift är att se till att hjälmen stannar kvar på huvudet vid en olycka. För att underlätta konceptgenereringen delades huvudfunktionen in i fyra separata delfunktioner; längdjustering av band under haka, låsfunktion, bandjustering/placering runt örat och hantering av överblivet band. En produktutvecklingsprocess inleddes med kreativa och systematiska metoder för att hitta lösningar till de fyra delfunktionerna. Slutligen hade trettio olika dellösningar skissats och diskuterats fram. Dessa trettio behövde reduceras till antalet och sedan kombineras till fyra kompletta, funktionella prototyper. Dellösningarna utvärderades genom diskussioner och enklare funktionstester. Utvärderingsresultaten sammanställdes i matriser och utifrån den informationen kunde antalet dellösningar reduceras till sju stycken. Dessa sju kvarvarande lösningar kombinerades till fyra totalkoncept som alla löser hela huvudproblemet. Nästa steg var att konstruera funktionsprototyper av lösningarna, montera dem på hjälmarna och utvärdera dem gentemot en icke modifierad referenshjälm. Denna utvärdering genomfördes med användarintervjuer och i nära samarbete med uppdragsgivarna på Idesign Sweden AB. Tio veckors heltidsarbete resulterade till slut i en stor mängd sammanställd information och två totalkoncept med funktionsprototyper som Idesign Sweden AB rekommenderas att gå vidare med.
Abstract This report is the final result of an innovative product developing project run by Alexandra Johansson and Carina Nässén as the examination of the Sports Tech program at Mid Sweden University. We were commissioned by Idesign Sweden AB to improve the design of the retention system for bicycle helmets. They recognized the need to improve this part of the bicycle helmet, although bicycle helmets in general have gone through a massive change over the years, the retention system has remained untouched by engineers. Our work began with massive research and inspiration efforts. We explored the products on the market, searched patent databases and carefully studied the standards surrounding personal protective equipment. We learned as much as possible about keeping a helmet on the head. The main objective for the retention system is thus to keep the helmet on the head during an accident. To simplify the generating of concepts we decided to divide the main objective into four separate operations; locking, adjustment of length, adjustment around the ear and handling of the strap leftovers. We proceeded by initiating a product developing process, beginning with creative and systematic methods for identifying solutions to our four operations. We ended up with thirty solutions which in a realistic way solved the problem. These thirty solutions needed to be reduced and combined into four complete, functional prototypes. We evaluated the solutions by discussion and simple tests of functionality. The evaluation results were compiled in matrices and analyzed, with this information basis it was possible to reduce the number of solutions to seven. These seven were combined into four concepts solving the entire problem of retaining a helmet on a bikers head. The next step was to construct functional prototypes of our solutions, assemble them on the helmets and evaluate their quality compared to the original solution. This evaluation was conducted by interviews with users and in cooperation with the industrial designers at Idesign Sweden AB. Ten weeks of fulltime work, more often overtime, resulted in a large amount of gathered information and two concepts with functional prototypes which we recommend Idesign Sweden AB to proceed with.
Innehållsförteckning Förord Sammanfattning Abstract Innehållsförteckning 1 Nomenklatur... 1 2 Introduktion... 2 2.1 Bakgrund... 2 2.2 Uppgift... 2 2.3 Presentation av Idesign... 2 2.4 Syfte och mål... 2 2.5 Målgrupper... 2 2.6 Avgränsningar... 2 3 Metod/ Tillvägagångssätt... 3 4 Genomförande... 4 4.1 Förstudie... 4 4.1.1 Standarder som ställer krav... 4 4.1.2 Mått... 8 4.1.3 Inspiration... 10 4.2 Produktspecificering... 11 4.2.1 Krav... 11 4.2.2 Önskemål... 11 4.3 Konceptgenerering... 12 4.4 Från trettio dellösningar till fyra totalkoncept... 14 4.4.1 Utvärdering av dellösningar mot önskemål... 14 4.4.2 Reducering av de 11 kvarvarande dellösningarna... 14 4.4.3 Presentation av kvarvarande dellösningar... 14 4.4.4 Kombinering till totalkoncept... 18 4.5 Detaljkonstruktion... 19 5 Resultat... 20 5.1 Kvalitativ utvärdering av funktionsmodeller... 20 5.1.1 Dellösning C... 20 5.1.2 Dellösning H... 20 5.1.3 Dellösning L... 21 5.1.4 Dellösning M... 21 5.1.5 Dellösning N... 22 5.1.6 Dellösning Å... 22 5.1.7 Rangordning av totalkoncept... 23 6 Slutsatser och diskussion... 24 6.1 Koncept 3... 24 6.2 Koncept 4... 24 6.3 Till sist... 25 7 Referenser... 26 Bilageförteckning... 27
1 Nomenklatur Ordförklaringar och definitioner. System för kvarhållning (retention system): Hela sammansatta systemet som håller hjälmen i position på huvudet, inklusive anordningar för justering och system för att öka bärarens komfort. Hakband (chin-strap): Den del av systemet för kvarhållning som passerar under användarens käke för att hålla hjälmen i position. Funktionsmodell: Avser att testa modellens funktioner såsom hållfasthet, friktion, vikt, rörelser och ergonomi. Här spelar utseendet ingen roll. Polygonmodell: En modell uppbyggd med ytor av trianglar. STL-fil: STL står för stereolitografi och är ett standardformat för polygonmodeller. Joina: Cadbegrepp. Genom att joina förenas t.ex. två ytor i ett 3D-modelleringsprogram. Polysurface: Genom att joina flera ytor så skapas en polysurface. Om ett antal polysurfaces innesluter en volym utan hål eller öppningar så skapas en solid. Tragus: Den lilla fliken vid sidan av hörselgången på örat. 1
2 Introduktion 2.1 Bakgrund Cykelhjälmar i allmänhet är ofta väl utvecklade dock är just band- och låsfunktioner är ett eftersatt område. Det är ofta komplicerat att anpassa bandlängden, den vanligaste lösningen som finns i dagsläget bygger på en bandslinga i dubbla lager som ska träs om genom bandlåset. Det överblivna bandet fästs ofta upp med gummi eller förblir hängande. Det tar lång tid, är pilligt samt blir lätt fel längd. Är det svårt och krångligt att justera bandlängden blir detta oftast inte gjort, vilket gör att cykelhjälmen inte sitter korrekt och detta medför i sin tur en säkerhetsrisk. Dagens låsanordning hamnar i regel under hakan på ett obekvämt sätt och detta medför att klämrisk vid knäppning är ett problem. Sidojusteringen är sällan använd, detta orsakar att sidobanden ofta genar över örat. Den avgör även hjälmens position på huvudet, vilken ofta blir felaktig på grund av bristande sidojustering. 2.2 Uppgift Uppdraget som erhölls från Idesign Sweden AB var att ta fram funktionsmodeller av bandoch låssystem till cykelhjälmar. Önskemål om enhandshantering och textillösning under hakan betonades och hölls i åtanke vid produktutvecklingen. Även standarder avseende säkerhet skall tas i beaktning. 2.3 Presentation av Idesign Idesign Sweden AB är ett mindre designkontor beläget på Långholmen i Stockholm som arbetar med industridesign för svensk och internationell industri. De arbetar i ett brett fält från tåg, arbetsstolar till outdoor- och elektronikprodukter. Affärsidén är att göra estetiskt och ergonomiskt attraktiva produkter med effektiva arbetsmetoder. 2.4 Syfte och mål Syftet med detta examensarbete är att hitta alternativa lösningar på band- och låsfunktion till cykelhjälmar, med förbättrad funktion och passform. Målet under projekttiden är att åstadkomma 4 funktionsmodeller av kompletta kvarhållningssystem och utvärdera dem. I förlängningen är syftet att få fler personer som inte använder cykelhjälm på grund av att de är svåra att ställa in att börja göra det. 2.5 Målgrupper Alla åldersgrupper var ursprungligen intressanta, dock satte standarden SSEN1080 som gäller för småbarnshjälmar begränsningar. Medan standarden för cykelhjälmar, SSEN 1078 ställer krav på hur mycket belastning kvarhållningssystemet ska hålla för så kräver SSEN 1080 att låsanordningen ska lösa ut vid en viss belastning. Efter som dessa två standarder talar emot varandra övergick projektets målgrupp till att vara äldre ungdomar och vuxna. 2.6 Avgränsningar Arbetet pågår under en avtalad tid på 10 veckor och begränsas därför i sin omfattning. - Inga hållfasthetsberäkningar kommer att utföras, således kommer inte heller fördelarna med olika material att undersökas. Materialet i funktionsmodellerna kommer att var den ABS-plast som används vid friformsframställningen (FFF). - Tillverkningsmetoder kommer inte att tas i beaktning. 2
3 Metod/ Tillvägagångssätt Utvecklingsarbetet av de nya koncepten har, med viss modifikation för att passa projektet, genomförts enligt produktutvecklingsprocessen som presenteras i boken Produktutveckling effektiva metoder för konstruktion och design [1]. Metoden beskrivs mer ingående i respektive del av rapporten. Produktutvecklingen sker i följande steg: - Förstudie o En förutsättningslös problemanalys där all tänkbar relevant information samlas in och analyseras. - Produktspecificering o Förstudien utmynnar i en produktspecifikation som beskriver vad produkten skall åstadkomma. Här formuleras problemet i en mer lösningsneutral form och krav samt önskemål listas. - Konceptgenerering o Utifrån produktspecificeringen är målet i detta steg att med kreativa och systematiska metoder generera ett stort antal konceptuella produktlösningar. - Från trettio dellösningar till fyra totalkoncept o Genom noggrann utvärdering och enklare funktionstester så reduceras antalet dellösningar. De kvarvarande lösningarna kombineras på bästa sätt till fyra totalkoncept. - Detaljkonstruktion o Lösningarna konstrueras och monteras på för ändamålet inköpta cykelhjälmar. Efter produktutvecklingsprocessens avslutande inleds en utvärderingsprocess med kvalitativa intervjuer som främsta metod. 3
4 Genomförande 4.1 Förstudie Förstudien är en förutsättningslös problemanalys där bakgrundsmaterial gällande befintlig design och teknik tas fram. Den viktigaste informationen under utvecklingsarbetet för kvarhållningssystemet har varit kraven som ställs i standarden SS-EN 1078 Hjälmar för cyklister, skateboard- och rullskridskoåkare [2]. 4.1.1 Standarder som ställer krav Cykelhjälmar omfattas av det tvingande EG-direktivet för personlig skyddsutrustning, 89/686/EEG, och måste därför certifieras med den europeiska CE-märkningen för att få marknadsföras inom Europa. Detta medför att standarden SS-EN 1078 måste följas. Hjälmen skall tillhandahålla ett skydd för huvudet vid olyckor, en förutsättning för detta är att den sitter fast på huvudet under själva olyckan. Således är ett väl fungerande och hållbart kvarhållningssystem av yttersta vikt och en betydande del av standaren behandlar detta område. Det finns en förutsägbar risk att små barn kan fastna i kvarhållningssystemet och därmed utsättas för en stryprisk. Därför följer skyddshjälmar för små barn en särskild standard, SS-EN 1080. [3] Denna kommer dock inte att tas i beaktning i detta arbete. SS-EN 1078 innehåller krav för följande områden: - Konstruktion, inklusive synfältskrav - Stötabsorberingsegenskaper - System för kvarhållning av hjälmen, inklusive hakband, låsanordning samt längdjustering - Märkning och information - Testning och materialkrav Vi koncentrerar oss huvudsakligen på den delen av standarden som innehåller krav angående den tredje punkten d.v.s. system för kvarhållning av hjälmen. Konstruktionskrav enligt SS-EN 1078 - Hjälmen skall i normala fall tillhandahålla absorbering av energi vid kollision och kvarhållning av hjälmen på huvudet vid en olycka. - Hjälmen ska vara hållbar och tåla hantering. - Hjälmen ska vara designad och formad så att dess ingående delar (nitar, ventilation, kanter, spännanordning och liknande) med största sannolikhet inte kommer att skada bäraren vid normal användning. Materialkrav enligt SS-EN 1078 För de delar av hjälmen som kommer i kontakt med huden gäller att det använda materialet inte ska genomgå någon märkbar förändring vid kontakt med svett eller andra substanser som hjälmen troligtvis kommer att utsättas för. Det valda materialet får inte vara känt för att orsaka någon typ av hudproblem. 4
Hjälmen ska enligt SS-EN 1078: - Ha låg vikt - Tillhandahålla ventilation - Vara enkel att sätta på och ta av - Gå att använda med glasögon - Inte påtagligt inkräkta på användarens möjlighet att höra trafikljud. Specifika krav på kvarhållningssystemet enligt SS-EN 1078 - Det skall finnas möjlighet att hålla kvar hjälmen på användarens huvud. - Alla delar av kvarhållningssystemet skall ha säkra infästningar i hjälmen. - Hakbandet får inte innehålla i hakkopp. - Hakbandet måste vara minst 15 mm brett. - Hakbandet kan förses med komfortlösningar för användaren. - Kvarhållningssystemet skall utrustas med en anordning för att justera och bibehålla spänningen i systemet. Denna anordnings läge skall kunna justeras så att det inte ligger an mot käkbenet. - Ingen del av kvarhållningssystemet får ha färgen grön eftersom det indikerar ett självutlösande småbarnsspänne. Dock är det rekommenderat att öppningsmekanismen markeras med röd eller orange färg. Ease-of-release När systemet provas i enlighet med test 5.5, som beskrivs nedan, skall det vara möjligt att öppna spännet med lasten ansatt. 5
Test Vid testning enligt standarden utsätts hjälmen för en rad prövningar. Två av dem är särskilt intressanta för kvarhållningssystemets utformning. Test 5.5 - Bestämning av kvarhållningssystemets styrka och det s.k. ease of release -kravet. o Hjälmen placeras på huvudformen. Hakbandet fästs under de två horisontella bommarna så att hela testapparaturen hänger fritt på kvarhållningssystemet. En barlast (5 +/- 0,5 kg) placeras för stabilitetens skull på hjälmen. Höj fallvikten (4 +/- 0,2 kg) och låt den falla tills den kolliderar med stoppet. Se figur 1, för utförligare bild och beskrivning se SS-EN 1078 [2]. o Under testet skall hakbandets dynamiska förlängning mätas, den får inte överskrida 35 mm. Efter 2 min, med fallvikten kvar vid stoppet, skall den kvarvarande förlängningen mätas, den får inte överskriva 25 mm. Till slut skall det säkerställas att systemet kan öppnas med en hand. Figur 1 Test 5.5 6
Test 5.6 - Bestämning av kvarhållningssystemets effektivitet o Hjälmen placeras enligt tillverkarens instruktioner på tillbörlig huvudform. Kvarhållningssystemet justeras så att det sitter så hårt som möjligt. Remmen hakas fast i hjälmens bakkant. Fallvikten (10 +/- 0.1 kg) släpps sedan från ett avstånd på 175 +/- 5 mm, se figur 2 och 3. För utförligare bild och beskrivning se SS-EN 1078 [2]. o Under testet får hjälmen inte lossna från huvudformen. Figur 2 Test 5.6 Figur 3 Test 5.6 i realiteten på SP 7
4.1.2 Mått Avsikten är att skapa funktionsmodeller som ska passa 90% av befolkningen, både kvinnor och män. För att åstadkomma detta undersöktes ansikts- och huvudmått som erhållits från studier i England [5] samt genomfört egna mätningar och uppskattningar. Tre olika måttbestämningar har varit särskilt intressanta. 1. Bandets justeringslängd för att möjliggöra att kvarhållningssystemet kan lyftas framför ansiktet. o För att bestämma bandets justeringslängd för att möjliggöra att kvarhållningssystemet kan lyftas framför ansiktet har empiriska studier på representativa personer. Vi har valt att utföra mätningar på en till huvudstorleken relativt liten kvinna och stor man. Måttet avser det främre bandets längd mellan infästningarna i hjälmen. Resultat, kvinna: Åtspänt läge: 360 mm Avtagbart läge: 440 mm Differens: 80 mm Resultat, man: Åtspänt läge: 410 mm Avtagbart läge: 540 mm Differens: 130 mm o Vi kan alltså utifrån detta konstatera att bandets längd ska kunna minskas genom åtdragning till minst 360 mm och sedan förlängas till 540 mm. Det innebär en förlängning på 180 mm i det extremaste fallet. o Total justeringslängd: 180 mm 2. Bandets justeringslängd under hakan. o För att bestämma bandets justeringslängd under hakan har vi använt oss av mått för käkens bredd Käkens bredd Mäts horisontellt mellan käkbenets yttersta vinklar. Största man 126,0 mm Minsta kvinna 91,8 mm Differens 34,2 mm o Differens i åtspänt läge mellan liten kvinna och stor man: 410-360=50mm o Vi beslutat att bandets justeringslängd, d.v.s. den sträcka som det åtspända området kan variera mellan, ska vara 50 mm. Vi lägger därtill 20 mm för att underlätta åtspänning. o Total justeringslängd: 70 mm 8
3. Örats placering och storlek o Örats placering och storlek har betydelse för kvarhållningssystemets utformning runt öronen. Med hjälp av måtten nedan fastställdes ett område på huvudet som inte får täckas av någon del av kvarhållningssystemet, se figur 4. Örats längd Mäts från örats topp till dess nedersta punkt. Största man Minsta kvinna Differens 71,3 mm 51,4 mm 19,9 mm Örats bredd Mäts över örats bredaste del, från dess yttersta kant till strax ovanför tragus. Största man 36,6 mm Minsta kvinna 27,6 mm Differens 9,0 mm Örats horisontella placering Mäts horisontellt från strax ovanför tragus till bakhuvudets yttersta del. Största man 111,0 mm Minsta kvinna 83,0 mm Differens 28,0 mm Örats vertikala placering Mäts vertikalt från strax ovanför tragus till huvudets översta del. Största man 144,4 mm Minsta kvinna 108,9 mm Differens 35,5 mm Figur 4- Örats maximala utbredning på huvudet 9
4.1.3 Inspiration Figur 5 För att få fram ett så bra resultat som möjligt har inspiration hämtats från vitt skilda områden. Olika typer av hjälmar har studerats, men för att inte låsa fast tankebanorna har även andra typer av produkter använts som inspirationskällor, se figur 5. Nedan redovisas några av de viktigaste. Cykelhjälmar Även om band- och låsfunktionen hos cykelhjälmar är gravt underutvecklad så har en hel del hänt gällande storleksjustering runt huvudet. Att applicera några av de justeringslösningarna på ett kvarhållningssystem har varit en utmaning som skulle visa sig vara oöverstiglig men lärorik. Klätterhjälmar Klätterhjälmar har varit en stor inspirationskälla. Lösningar där spännet sitter på sidan istället för under hakan har varit mycket intressanta och gett upphov till flera konceptidéer. Särskilt intressant är att vissa klätterhjälmar har smalare band runt örat och bredare band under hakan. Det är en lösning som ser smidig och tilltalande ut och som därför har applicerats på flera totalkoncept. Skidhjälmar Skidhjälmar ligger längre fram i utvecklingen av kvarhållningssystemet än vad cykelhjälmar gör i dagsläget. Därför har det funnits flera intressanta lösningar att titta på. Hockeyhjälmar Från hockeyhjälmar har inspiration till idén om hårda bågar runt öronen erhållits. Flygplansbälten Alla som någon gång satt på sig ett flygstolsbälte vet hur enkelt det är att justera längden på dem. Den lösningen applicerades därför på kvarhållningssystemet till en cykelhjälm. Hemligheten bakom längdjusteringen ligger i flygplansbältets rörliga bom i kombination med dess glatta band. Bärselar för barn De senaste åren har produkter för barn utvecklats i allt högre takt. Det är ett segment på frammarsch där det läggs mycket tid och pengar på utveckling av nya produkter. Vi har funnit att bärselar för barn är särskilt intressanta då de har många smarta lösningar vad gäller både låsfunktioner och justering av band. 10
4.2 Produktspecificering I detta steg upprättas en specifikation som beskriver vad produkten skall åstadkomma. Krav och önskemål listas, krav är kriterier som måste uppfyllas medan önskemål kan uppfyllas mer eller mindre. 4.2.1 Krav Utifrån SS-EN 1078 har vi formulerat de krav som gäller vårt produktutvecklingsprojekt och kommit fram till följande: 1. Alla delar av kvarhållningssystemet skall ha säkra infästningar i hjälmen. 2. Minsta bandbredd under hakan: 15mm 3. Systemet måste kunna längdjusteras och behålla spänningen i bandet. 4. Spännets placering skall kunna justeras så att det inte ligger an mot käkbenet. 5. Ingen del av kvarhållningssystemet får ha färgen grön. 6. När systemet provas enligt test 5.5 får den dynamiska förlängningen inte överskrida 5mm och den kvarstående förlängningen inte överskrida 25mm. 7. Vid provning enligt test 5.6 får inte hjälmen lossna från huvudet. 8. Vid provning enligt test 5.5 skall det vara möjligt att öppna spännet med en hand då lasten är ansatt. 9. Hjälmen skall kunna användas tillsammans med glasögon. 10. Hjälmen skall vara lätt att ta av och på. 11. De delar av hjälmen som kommer i kontakt med huden skall vara tillverkat av sådant material som inte påverkas av svett eller liknande substanser. 12. Materialet får inte heller vara känt för att orsaka någon typ av hudproblem. 13. Hjälmens olika delar, inklusive systemet för kvarhållning, skall vara utformat så att brukaren vid normal användning inte kommer till skada. 4.2.2 Önskemål Önskemål på kvarhållningssystemet har formulerats utifrån diskussioner med handledare, brainstormingmetoden samt rapporten Cykelhjälmskampanj riktad till tonåringar och vuxna[4]. Önskemål: Vikt: 1. Maximera enhandshantering. 5 2. Maximera komfort under hakpartiet. 3 3. Minimera klämrisk. 4 4. Maximera hon- och handelens förmåga att hitta varandra i låsanordningen. 4 5. Minimera klickljudet. 3 6. Minimera justeringssvårigheter. 4 7. Minimera antalet moment vid på- och avtagning. 4 11
4.3 Konceptgenerering I konceptgenereringsfasen är målet att komma fram till ett stort antal konceptuella produktlösningar som uppfyller produktspecifikationens kriterier. En systematisk arbetsgång följs där så många idéförslag som möjligt tas fram, detta för att kartlägga hela den möjliga lösningsrymden. Konceptgenereringen genomförs i tre steg. 1. Problemet formuleras i en bredare, lösningsneutral form. Att utveckla hela det sammansatta systemet som håller cykelhjälmen i position på huvudet, inklusive anordningar för justering av systemet. 2. Funktionsanalys Genom att dela upp huvudfunktionen i delfunktioner skapar vi en funktionsstruktur. Den innehåller alla funktioner som produkten ska realisera för att tillfredställa användarens behov. Syftet är att förenkla konceptgenereringen och ge möjlighet att generera dellösningar på de identifierade funktionerna, se figur 6. - Längdjustering av band under haka. - Låsfunktion - Bandjustering/placering runt örat. - Hantering av överblivet band Figur 6 Identifierade delfunktioner 12
3. Sökning av lösningar Vi har angripit våra delfunktioner med både systematiska och kreativa metoder för att få fram så många koncept och idéer som möjligt. - Analys av konkurrande eller besläktade produkter Att analysera vad som redan finns på marknaden är en systematisk metod som syftar till att främja nya idéer. Risken att av misstag uppfinna något som redan finns undviks också. o Resultat - Genom att utföra en noggrann analys av de kvarhållningssystem som finns idag på marknaden har vi dragit många lärdomar. Framförallt har stor utvecklingspotensial upptäckts. Analysen av besläktade produkter har till största del bestått av hjälmar för andra områden, som skidhjälmar, hockeyhjälmar. Resultatet från den analysen presenterades i kapitlet "Inspiration" i förstuiden. - Patent - Att söka bland patent är en systematisk metod som används för att undersöka vad som redan är uppfunnet, men som inte nödvändigtvis finns på marknaden än. o Resultat - En omfattande sökning i de amerikanska och europeiska patentdatabaserna har genomförts under arbetets gång. Det har resulterat i ett konstaterande att många har tagit patent rörande band- och låsfunktioner till cykelhjälmar, men mycket få produkter har faktiskt nått marknaden. Vad det kan bero på är svårt att spekulera i, kanske beror det främst på medelmåttiga lösningar och att de tillverkande företagen har prioriterat utveckling av andra delar av cykelhjälmen. Vanligast är patent rörande sidojusteringen, som också är den mest välutvecklade delen av kvarhållningssystemet, dock handlar det om långt ifrån tillfredställande lösningar. För projektets skull har patentsökningen främst bidragit som en inspirationskälla snarare än som en begränsande faktor. - Provokationsmetoden Är en kreativ metod där deltagarna provocerar fram mer eller mindre möjliga funktioner och lösningar. Utgångspunkten är varje identifierad delfunktion. o Resultat - Resultatet blev många galna idéer men också en hel del användbart. Runt de framprovocerade lösningarna blev det många diskussioner som väckte många riktigt bra idéer. - Slumpordsmetoden Är en kreativ metod där man gör en lista av slumpmässigt valda ord från en bok eller en tidskrift. Därefter går man igenom listan och antecknar de associationer man får för varje ord. o Resultat - Resultatet blev mycket varierande, vissa idéer var helt förkastliga medan andra ledde till mycket kreativa och insiktsfulla lösningar. - Brainstormingmetoden Är en kreativ metod där deltagarna diskuterar funktioner och lösningar på ett problem. Deltagarna kombinerar och förbättrar varandras idéer och på så sätt framkommer bättre lösningsförslag. o Resultat - Vi utgick från resultatet på provokationen och fick på egen hand fundera och skissa på olika lösningar. Efter det startade vi med brainstorming och fick lyssna på varandras idéer och ge feedback. Härifrån driver vi de individuella idéerna vidare som gemensamma dellösningar eftersom processen sker i nära samarbete. Lösningarna fick arbetsnamnen A, B, C, D, E, F 13
4.4 Från trettio dellösningar till fyra totalkoncept 4.4.1 Utvärdering av dellösningar mot önskemål Alla de trettio dellösningarna skall nu analyseras i relation till önskemålen som formulerats i produktspecifikationen. De olika alternativens analysresultat jämförs och beslut fattas om vilka alternativ som skall gå vidare. Kesselring-metoden Varje önskemål har getts en vikt på en skala från 1 till 5 där 1 är mindre viktig och 5 är mycket viktig. För varje dellösningsalternativ bedöms hur väl den lösningen uppfyller varje önskemål. Även där ges betyget 1 till 5, 1 innebär att lösningen uppfyller önskemålet mindre bra och 5 innebär att den uppfyller önskemålet mycket bra. Önskemålets vikt multipliceras med dellösningens betyg och resultaten summeras för varje dellösningsalternativ. Detta resulterar i att varje dellösningsalternativ får en totalpoäng och på så sätt kan alternativen på ett enkelt och tydligt sätt jämföras. Alla alternativ med 100 totalpoäng eller fler går vidare till nästa omgång i utvärderingsprocessen, det var totalt 11 alternativ. Se Kesselring-matrisen i bilaga 2. 4.4.2 Reducering av de 11 kvarvarande dellösningarna En reducering av de kvarvarande 11 dellösningarna genomförs för att erhålla ett mindre antal användbara lösningar som sedan kan kombineras ihop till totalkoncept. Utvärderingen av de olika dellösningsalternativen har till största del skett genom diskussion och enklare funktionstester. För- och nackdelar har listats för varje dellösningsalternativ utifrån krav och önskemål, den informationen finns nu i bilaga 1. Mot bakgrund av detta har dellösningsalternativen reduceras med hjälp av en elimineringsmatrisen som finns i bilaga 3. 4.4.3 Presentation av kvarvarande dellösningar Nedan presenteras de kvarvarnade dellösningalternativen efter det sista elimineringssteget. Dellösning C, se figur 7 - Löser problem: Låsfunktion och längdjustering. - Idébeskrivning: Genom att låta bandet vända runt en rörlig bom kan längdjusteringen avsevärt förbättras. Inspiration har hämtats från flygbälten och bygger på att ett band, istället för som på dagens spännen två, kommer ner under hakan. - Motivering: Kombinationen av mjukare, blankare band och en rörlig bom skapar en överlägsen längdjustering där bandet flyter genom spännet. Kan användas som ett eget koncept där bandet förlängs och lyfts framför ansiktet men även enbart som en längdjustering på nästintill alla upptänkliga koncept. Figur 7 Dellösning C 14
Dellösning H, se figur 8 - Löser problem: Placering/justering runt öra - Idébeskrivning: Inspirationen till bågar i ett styvare material, t.ex. plast, är hämtad från dagens ishockeyhjälmar. Genom att byta ut bandsystemet runt örat mot en hård båge underlättas användningen av cykelhjälmen genom att ett moment i anpassningen av hjälmen helt tas bort, nämligen justeringen av banden runt örat. För att få acceptans för en så radikal förändring som detta bör bågarnas utformning ges ett nätt men samtidigt sportigt utseende. Att kunna placera hjälmen på hatthyllan eller förvara den på annan plats är en förutsättning och därför utvecklas ett system som gör att bågarna går att vika in i, alternativt skjutas in i hjälmen - Motivering: Genom att använda ett hårdare material istället för band runt örat blir det enkelt att ta på sig hjälmen med en hand då man inte längre behöver vika ut banden som annars så förargligt faller in i hjälmen. Dessutom erhålls en stabilare känsla när hjälmen väl sitter på huvudet. Bågarna ger förutom stabilitet också en möjlighet till mothåll för låsanordningen, vilket i sin tur underlättar enhandshantering. Då bågarna utformas så att de passar 90% av befolkningen kan ett moment i inställningen av hjälmens kvarhållningssystem helt tas bort. Figur 8 Dellösning H 15
Dellösning L, se figur 9 - Löser problem: Låsfunktion - Idébeskrivning: Låsanordningen bygger på en hondel i tre delar, två spegelvända detaljer som fjädrar mot varandra och en ehållare till dem, samt en knoppliknande handel. I och med att användaren kontrollerar hela låsförloppet genom att trycka ihop de två detaljerna i hondelen och föra behållaren över knoppen så minimeras klickljudet. Handelens utformning underlättar avsevärt hondelens förmåga att hitta rätt vilket medför en enkel hantering. Spännets låga klickljud gör det till ett utmärkt alternativ vid placering närmare örat. - Motivering: Genom möjligheten att placera spännet på sidan av hjälmen istället för under hakan ökas användarens komfort betydligt. Spännets enkelhet i samspel med minimalt klickljud och närmast obefintlig klämrisk gör att denna lösning överlägset bättre än de som finns på marknaden idag. Figur 9 Dellösning L Dellösning M, se figur 10 - Löser problem: Placering/justering runt öra - Idébeskrivning: På traditionella cykelhjälmar går ofta banden framifrån och bakifrån ihop i sidojusteringen och fortsätter sedan som dubbelt band under hakan, vilket i sin tur medför band i fyra lager vid längdjusteringen. Denna dellösning möjliggör att endast få ett band under hakan och därmed ökas komforten samtidigt som regleringen av bandlängden förenklas. Bandet som kommer från den främre infästningen vid pannan fortsätter ner under hakan, bandet som kommer från den bakre infästningen vänder i spännet och justeras bakåt. Spännet kan även justeras i vertikal ledd genom att skjutas längs bandet. - Motivering: Denna sidojusterings trumfkort är att endast ett band leds under hakan, detta ökar komforten och underlättar justering avsevärt. Figur 10 Dellösning M 16
Dellösning N, se figur 11 - Löser problem: Låsfunktion och till viss del längdjustering. - Idébeskrivning: Denna idé har ett stort mått av nytänkande, istället för att ha separata hon- och handelar som ska föras samman så är detta spänne utformat i ett stycke. Inspirationen kommer från spännanordningen på ett armbandsur, en s.k. klocklänk. Spännet består av tre sammankopplade länkar, som när de vecklas ut från varandra tillsammans förlänger kvarhållningssystemet tillräckligt för att mögliggöra att systemet skall kunna lyftas framför ansiktet. När länkarna är utvecklade från varandra håller de yttersta ändarna, där bandet är infäst, ut banden på sidorna och gör på så sätt det enkelt att ta på och av hjälmen. - Motivering: Denna eleganta lösning syftar till att skapa en enkel enhandshantering. Länkarnas tyngd gör att de på ett naturligt sätt faller ner under hakan när hjälmen tas på. Figur 11 Dellösning N Dellösning Å, se figur 12 - Löser problem: Låsfunktion. - Idébeskrivning: Låsfunktionen består i likhet med traditionella spännen av två delar, som genom att pressas samman låser fast i varandra, dock har denna anordning en rad fördelar. Spännet har en rundad form som gör att hon- och handelen hittar varandra enkelt. Hondelen är försedd med en hjälpknapp som gör att låsanordningen blir mycket smidig att öppna, en annan av hjälpknappens effekter är att den mildrar klickljudet vid låsning. - Motivering: Låsfunktionen bygger på en enkel princip som är lätt att förstå och som med fördel kan monteras på marknadens befintliga kvarhållningssystem. Vid fastlåsning ger spännet ifrån sig ett behagligt klickljud som indikerar att spännet är ordenligt låst. Låsanordningen kan enkelt öppnas genom ett lätt tryck på den rödmarkerade hjälpknappen. Figur 12 Dellösning Å 17
Dellösning Ä, se figur 13: - Löser problem: Hantering av överblivet band. - Idébeskrivning: Att med hjälp av kardborre fästa upp det överblivna bandet. - Motivering: En enkel lösning som är väletablerad och billig. 4.4.4 Kombinering till totalkoncept Koncepten har kombinerats ihop med avseende på hur väl de olika dellösningarna fungerar tillsammans och resultatet blev följande kombinationer. De dellösningar som ingår i andra dellösningar är inom parantes) - Koncept 1: M + Å (+ C+ Ä) Figur 13 Dellösning Ä - Koncept 2: M + N (+ Ä + C) - Koncept 3: M + C (+ Ä) - Koncept 4: H + L ( + C). 18
4.5 Detaljkonstruktion 3D-modellering Första steget i förverkligandet av idéerna är att skapa en 3D-modell att arbeta utifrån. Solidmodelleringsprogrammet SolidWorks har använts flitigt under hela projektet. Friformsframställning (FFF) Att använda FFF är ett snabbt och effektivt sätt att få fram en prototyp. En taktil modell är mycket bättre som visualiseringsverktyg än en virtuell cadmodell, det ger en möjlighet att få en känsla för proportioner. FFF möjliggör även att snabbt kunna skriva ut modeller som det går att utföra funktionstester på. I projektet har maskiner som använder FFF-metoden FDM, Fused Desposition Modeling utnyttjats. Metoden går ut på att FFF-maskinen smälter en ABS-plasttråd och bygger upp prototypen lager för lager. Maskinen använder ett stödmaterial för att kunna bygga modellen vilket också gör det genomförbart att tillverka annars omöjliga geometrier. Precisionen är tämligen bra och materialet är inte optimalt för spännen, men det har varit ett ovärderligt hjälpmedel i prototypframtagningen. Både hos Idesign Sweden AB och på Mittuniversitetet i Östersund har vi arbetat med Stratasys FFF-maskiner. Verkstadsarbete För att snabbt kunna testa och förklara sina idéer har verkstaden på Idesign Sweden AB varit en viktig plats. Den har fungerat som ett kreativt rum där idéer både har uppkommit och förverkligats. I verkstaden finns allehanda verktyg och material för att bygga prototyper och putsa på FFF-modeller, se figur 14. Under hela produktutvecklingsprocessen har mycket tid spenderats i verkstaden och den har tillsammans med fikarummet använts för många livliga diskussioner. Figur 14 Alexandra i verkstaden Arbetsgång När bilden av en idé har klarnat i huvudet skapas en virtuell modell i SolidWorks. Den färdiga detaljen sparas i IGES-format och importeras till Rhinoceros. Där joinas soliden till en sluten polysurface och orienteras till rätt position med hänsyn till FFF-maskinens byggnadsmetod. Modellen sparas nu ner som en STL-fil och förbereds för FFF i beredningsprogrammen Catalyst (Idesign Sweden AB) eller Insight (Mittuniversitetet). Från beredningsprogrammet skickas modellen till FFF-maskinen och på mellan 2-6 timmar har vi prototyperna i handen. På Idesign har stödmaterialet brutits eller putsats bort medan Mittuniversitet är utrustande med ett UV-bad vilket möjliggör borttvättning av stödmaterial. Prototyperna är efter lite finputsning redo för montering. 19
5 Resultat 5.1 Kvalitativ utvärdering av funktionsmodeller Utvärderingen av funktionsmodellerna har gjorts med hjälp av en kvalitativ undersökning där ett antal personer fått testa hjälmarna och intervjuats om deras upplevelser under tiden. De fyra totalkoncepten jämfördes mot en referenshjälm (koncept nr 5). Nedan följer en kortare sammanställning av resultatet, för fullständig sammanställning av enkätresultat se bilaga 4. 5.1.1 Dellösning C Positivt med denna lösning är att den är en enkel och smidig idé som är lätt att förlänga och förkorta. Det finns ingen klämrisk och den har en enkel enhandshantering. Negativt är att det blir lite pyssligt att ta bandet framför ansiktet vid användning av glasögon. Renderade bilder av 3Dmodeller visas i figur 15. Figur 15- Renderad bild av dellösning C 5.1.2 Dellösning H Positivt med denna lösning är att den gör att hjälmen blir lätt att ta av och på med en hand. Lösningen ger en luftig känsla och det är inget problem att använda denna med glasögon. Negativt är att bågarna består av för mycket material och därför blir för stabila vilket gör att de inte formar sig tillräckligt. Spårets utformning bör också förbättras för att förhindra rotation av hjälmen framifrån/underifrån. Foto visas i figur 16. Figur 16 Carina med dellösning H 20
5.1.3 Dellösning L Positivt med denna lösning är att det är lätt att sköta med en hand, det finns ingen klämrisk och den har ett lågt klickljud. Lösningen är lätt att knäppa och öppna, detta på grund av att hon- och handelen lätt hittar varandra. Positivt är också att längdjusteringen är enkel och bandet dras nedåt istället för uppåt. Negativt är att mycket utveckling krävs för att denna lösning skall fungera perfekt. Renderade bilder av 3Dmodeller visas i figur 17. Figur 17 Renderad bild av dellösning L 5.1.4 Dellösning M Positivt med denna dellösning är att den går att justera bakåt, uppåt och nedåt. Detta gör att den blir enkel att ställa in efter sina egna behov. Negativt är att banden tar i öronen när hjälmen tas av, detta beror dock på valet av band och inte på dellösningen i sig. Ett annat problem är att bandet från den främre infästningspunkten som sedan fortsätter under hakan glider för lätt genom spåren. Renderade bilder av 3Dmodellen visas i figur 18. Figur 18 - Renderad bild av dellösning M 21
5.1.5 Dellösning N Positivt med denna lösning är att spännets vikt medför att anordningen faller på plats när hjälmen tas på. Spännet håller även ut bandet vid på- och avtagning och då detta underlättar enhandshanteringen bidrar det till en mycket smidig lösning. Negativt är att längdjusteringen inte fungerar perfekt och att det känns lite som kaka på kaka med både längdjustering och vikfunktion. Spännet är en aning obekvämt vilket beror på dess storlek och dessutom finns en viss klämrisk. Renderade bilder av 3Dmodellen visas i figur 19. Figur 19- Renderad bild av dellösning N 5.1.6 Dellösning Å Positivt med denna är att den har bättre enhandshantering än vad dagens spännen har, dock upplevs den som lit pillig. Den är ytterst lätt att snäppa igen och suverän att öppna. Den har ett behagligt klickljud som bekräftar låsningen och är lätt att längdjustera. Det är också mycket positivt att det inte finns någon klämrisk. Negativt är att spännet sitter under hakan och därför skapar obehag när det kläms mellan adamsäpplet och hakan på män. Renderade bilder av 3Dmodellen visas i figur 20. Figur 20 - Renderad bild av dellösning Å 22
5.1.7 Rangordning av totalkoncept Som avslutning av varje intervju fick personen rangordna totalkoncepten, inklusive referenshjälmen, efter eget tycke. Resultaten har sammanställs i matrisen nedan där de koncept som fått lägst poäng är de som rangordnats högst. Renderade bilder av 3Dmodeller visas i figur. Koncept 1 2 3 4 5 Peter 4 3 1 2 5 Johan 4 2 3 1 5 Torbjörn 2 1 4 3 5 Erik 3 5 2 1 4 Poängtotal 13 11 10 7 19 23
6 Slutsatser och diskussion Efter de sista utvärderingarna konstateras att alla fyra totalkoncepten är bättre än referenskonceptet, vilket var det önskade resultatet. I en relativt jämn utvärdering visade sig de två bästa alternativen bli totalkoncept nr 3 och 4, se förgående sidor. Det är dem vi rekommenderar Idesign Sweden AB att gå vidare med. 6.1 Koncept 3 Varför ska Idesign Sweden AB gå vidare med totalkoncept 3? - Sidojustringen där endast ett band går ner under hakan tillsammans med det mycket lättjusterade C-spännet är en utmärkt kombination. Samma mjuka band löper från infästningspunkterna vid pannan och hela vägen under hakan. Förflyttning av sidojustering sker genom att skjuta spännet i vertikal ledd och det justeras bakåt med hjälp av en kardborrelösning. Bandsystemet lyfts framför ansiktet vid påtagning och spänns enkelt åt genom att dra i den lösa bandänden. För att gardera mot kravet om att spännet med största sannolikhet måste kunna öppnas, d.v.s. delas i två delar, kan den lösa bandänden vid behov dras igenom helt. Hela lösningen ger minimalt med band och är mycket komfortabel. Spännenas begränsade storlek och nätta utformning bidrar till konceptets behagliga känsla. Förslag på förbättringar och åtgärder. - Sidojusteringsspännets storlek, och då främst dess tjocklek, kan minskas en hel del. Även dess estetiska attribut och utformningen behöver vidareutvecklas ytterligare. - Det smalare bandet som löper bakåt från sidojusteringen kan vara något mjukare än det är idag, då risken finns att spännet fastnar på örat vid avtagning. - Spåren som banden löper genom på sidojusteringen måste bli smalare och eventuellt få vinklar för att förhindra att detaljen flyttar sig av sig själv. - C-spännet bör ges en mer ergonomiskt utformning som underlättar grepp. Den kan förslagsvis förses med en flärp i framkant som underlättar öppning av spännet. - Undersöka möjligheten att flytta C-spännet mot sidojusteringen, kanske kan de kombineras? Detta skulle ytterligare öka användarens komfort under hakan. - Omhändertagandet av överblivet band sker nu med en enkel kardborrelösning, dock är vi övertygade om att den kan optimeras. 6.2 Koncept 4 Varför ska Idesign gå vidare med totalkoncept 4? - Bågarna som tillverkas i ett hårdare material blir tillsammans med dellösning L ett väldigt smidigt koncept. Stabiliteten hos bågarna i kombination med det enkla spännet gör att användaren lätt kan ta av och på hjälmen. Det styva materialet gör att det skapas ett mothåll vilket gör att det lämpar sig utmärkt att ha ett spänne på sidan istället för under hakan. Att placera spännet på sidan ger många fördelar, bland annat ökar det komforten avsevärt under hakpartiet. En annan fördel är att längdjusteringen placeras på sidan vilket medför att det överblivna bandet fästes i sin naturliga fallriktning. - En så intressant och nytänkande idé som hårda bågar kan, om de utformas på rätt sätt, revolutionera marknaden. Kvarhållningssystemet för cykelhjälmar är så pass eftersatt och nästan ingen utveckling har skett på flera år, den som vågar sig på att testa ett helt nytt system med nya tankebanor har mycket att vinna, vi tror att detta är vad marknaden behöver för att tilltala allt mer krävande kunder. 24
Förslag på förbättringar och åtgärder. - En förutsättning för att få de hårda bågarna accepterade är att de inte medför att hjälmen tar mer plats än idag. En lösning där bågarna enkelt går att vika in i hjälmen, eller på något sätt skjuts in i den löser problemet. Det ställs stora krav på bågarnas utformning, för att slippa ifrån hockeyhjälms känslan krävs smidiga och nätta lösningar, som samtidigt bör ha ett sportigt utseende. - Dellösning L kräver mycket utveckling för att fungera perfekt men har potential att bli riktigt bra. Handelens utformning bör ske på ett sätt så att hondelen lätt hittar rätt, detta går att lösa genom att ge knoppen en konisk form. Handelen bör även kunna låsas fast på den hårda bågen, kanske ska den istället för att sitta i ett spår på bågen gripa om denna. Dellösning L bör också utformas på ett sätt så att det finns ett grepp vid öppning av längdjusteringen. 6.3 Till sist Det är främst standarderna som har begränsat vårt arbete, detta har skett på framförallt två områden. I förekommande fall har möjligheterna och begränsningarna diskuterats via mail med Klas-Gustaf Andersson på Sveriges Tekniska Forskningsinstitut. För det första gäller det kravet om att spännet måste kunna flyttas bort ifrån käkbenet, då bekymren främst gällde de hårda bågarna. För det andra ease-of-release -kravet som säger att spännet måste kunna öppnas med en hand då lasten är ansatt. Detta begränsar lösningar där bandsystemet lyfts framför ansiktet, eftersom tanken då är att banden endast kan förlängas. Kravets syfte är något oklart, om meningen är att kunna få bort bandet från strupen i en situation där hjälmen är belastad så räcker det förmodligen inte med att förlänga bandet. Klas-Gustaf Andersson har skickat frågan vidare till den ansvariga arbetsgruppen och tillsvidare utgår vi från att lösningarna måste kunna öppnas, d.v.s. delas i två delar. En annan stor begränsning har varit tiden. I mån av mer tid hade vi gärna efter utvärderingar av de fyra totalkoncepten gått vidare med två och utvecklat dem ytterligare. Utförligare utvärderingar och testar av prototyperna hade varit önskvärt. Under arbetets gång har vi konstaterat att det finns en stor utvecklingspotential hos band- och låsfunktionen till cykelhjälmar. Vår förhoppning är att det kommer att ske spännande framsteg inom detta område under de närmsta åren. Vi tror och hoppas att denna rapport kommer bidra till en positiv utveckling inom hjälmindustrin och i slutändan öka antalet användare av cykelhjälmar. 25
7 Referenser [1] Produktutveckling effektiva metoder för konstruktion och design, Hans Johannesson, Jan-Gunnar Persson och Dennis Pettersson, Liber, Stockholm, 2004 [2] Svensk standard SS-EN 1078, www.sis.se [3] Svensk standard SS-EN 1080, www.sis.se [4] Cykelhjälmskampanj riktad till tonåringar och vuxna - attityder och resultat - Rapport nr 43, Olycksanalysgruppen, Umeå Universitet. [5] Adultdata. The handbook of Adult Anthropometric and Strength Measurements - Data for Design Safety, Laura Peebles och Beverly Norris, Department of Trade and Industry, United Kingdom, 1998. 26
Bilageförteckning Bilaga 1 Utvärdering av för- och nackdelar för alla trettio koncept. Bilaga 2 Kesselringmatrisen Bilaga 3 Elimineringsmatris Bilaga 4 Sammanställning av enkätsvar 27