16 Maj 2011 Handledare: Erik K G Åberg Inst. Produkt- och Produktionsutveckling Midjeled till arbetsfordon Integrerad konstruktion och tillverkning D3 Martin Andersson 780305 Mikael Ingvarsson 890728 Linus Svensson 890410 Viktor Wadenvik 890528 Andreas Östergren 870529
Sammanfattning Rapporten beskriver produktframställningsprocessen för en midjeled som ingår i Dynapacs jordpackare CA 134. Uppdraget var att åtgärda problem hos den befintliga midjeleden för att stärka företagets position på marknaden. Problemet med dagens midjeled är att målpriset överskridits med 34 procent, och lagerlösningarna klarar inte de tuffa förhålladena som de utsätts för. Projektet omfattar enbart midjeleden och inte jordpackarens övriga funktioner. Metoderna i The value model har använts som alla har haft som mål att öka produktens kundvärde och se till att den slutliga produkten motsvarar kundens önskemål och förväntningar. Det koncept som utvecklats består av en simpel och robust konstruktion som möjliggör att jordpackaren kan svänga och tilta. Lastfallsberäkningar har gjorts av de kritiska delarna för att se till att konstruktionen klarar de laster som en jordpackare utsätts för. Produkten har anpassats för att minimera antalet komponenter och förenkla tillverkningen. En prototyp har tagits fram för att demonstrera funktionen, en fullskalig modell behöver tas fram för att drifttester skall kunna utföras och eventuella justeringar göras innan produkten kan introduceras på marknaden. 1 The value model 2
Innehåll 1 Inledning 4 1.1 Bakgrund 4 1.2 Syfte 5 1.3 Avgränsningar 5 2 Metod och material 5 2.1 Kravformulering 5 2.2 Referenslösning 5 2.3 Koncept och urval 5 2.4 Analys av valt koncept 6 2.5 Material 6 3 Resultat och diskussion 6 3.1 Ramar 7 3.2 Axlar och lager 7 3.3 Hjul och hjulspår 8 3.4 Kostnadsuppskattning 9 3.5 Tillverkningsbarhet 10 3.6 Prototypframställning 10 4 Slutsats och rekommendationer 11 5 Källförteckning 12 Bilaga 1 13 1 The value model 3
1. Inledning 1.1 Bakgrund Dynapac är ett dotterbolag i Atlas Copco-koncernen med produktionsenheter i flera länder. Produktionen i Karlskrona utgörs av vibrerande vältar och fräsar, däribland jordpackaren med midjestyrningen som studerats. Dynapacs befintliga midjeled (Figur 1 och 2) är en gjutjärnskonstruktion som kräver specialbearbetning som till exempel härdning och ytbearbetning av betydande delar på grund av de glidlagerlösningar som används för svängning och tiltning. Den tidigare lösningen har flera problem med pålitlighet och lagerlösningarna klarar inte de tuffa miljöerna, detta innebär att målpriset överskritits med 34 procent. Detta medför frekventa reparationstillfällen vilket blir dyrt eftersom lagren sitter svåråtkommligt inuti leden. För att få översikt och god kontroll över framställningsprocessen används The Value Model, ett beprövat produktframställningsverktyg som visat sig vara ett bra hjälpmedel vid stora projekt. The Value Model beskriver de olika steg som behöver utföras för att slutändan generera en produkt som har de bästa förutsättningarna att klara de krav och önskemål som fastställts. Dynapac anser att de många problemen med den befintliga midjeleden ger anledning att skapa ett helt nytt koncept, för att stärka deras position på marknaden. Figur 1 och 2 Dynapacs befintliga midjeled 1 The value model 4
1.2 Syfte För att lära oss kursinnehållet skall vi ta fram koncept för midjestyrning till arbetsfordon. Vi skall redovisa detta genom en presentation som projektgruppen känner sig nöjda med, innan kursens slut. 1.3 Avgränsningar I produktframställningsarbetet är det enbart midjeledskonstruktionen och dess funktioner som beaktas och inga övriga funktioner i jordpackaren. Arbetet avgränsas till att ta fram en funktionsprototyp innan deadline den 16/5-2011 med de resurser som finns att tillgå på Chalmers Tekniska Högskola och prototypverkstaden. En produkt färdig för marknaden kommer inte att färdigställas i projektet. 2. Metod och material The Value Model beskriver tydligt produktframställningsprocessen, metoder för att lyckas i ett arbetslag och generera produkter av högt kundvärde. 2.1 Kravformulering Intervjuer med Dynapac och deras kunder ligger till grund för att beskriva kundens röst. Intressenters krav och önskemål beskrevs som egenskaper hos produkten och i olika avseenden funktioner avgörande för dess kundvärde. Baskrav, uttalade samt förnöjande krav identifierades ur undersökningar och fakta. Kano-modellen 1 användes sedan för att avgöra hur dessa skulle komma att påverka produktens kundvärde. 2.2 Referenslösning Nästa steg var att analysera befintliga lösningar på marknaden för att undvika att hjulet uppfinns på nytt. De för området ledande produkterna analyserades för att inspirera till nya koncept. Pionjärer i branschen utsågs för att konstatera var framtida, midjestyrda produkter är på väg och för att få inspiration till nyskapande koncept. För att kunna bedöma och jämföra hur bra blivande koncept är krävs en referenslösning 1 som består av de olika befintliga lösningarnas bästa egenskaper. Referenslösningen är den bästa teoretiska lösningen som knappast är realistisk men används för att jämföra vårt eget koncepts funktioner mot. 2.3 Konceptgenerering och urval En idégenerering enligt The Value Models metoder resulterade i ett flertal nya koncept.. Dessa jämfördes med referenslösningen och de bästa valdes ut för vidareutveckling. Genom att korsbefrukta de olika lösingarna och använda en morfologiskmatris 1 skapades koncept med fler egenskaper. Koncepten jämfödes i Pugh s utvärderingsmatris 1, där förmågan att klara de krav och önskemål uppställda i kravspecifikationen viktas, och de bästa koncepten utsågs. Upprepade genomförande av proceduren gallrade ut den bästa lösningen. 1 The value model 5
2.4 Analys av valt koncept I ett funktionellt diagram visas hur alla de olika delsystemen verkar i förhållande till varandra. En gränssnittsmatris 1 ger en överskådlig bild av hur komponenterna interagerar, tillsammans ges en tydlig orientering i produktens sammansättning. Konceptet skapas som en CAD- modell(computer Aided Design) och dimensionering av kritiska delsystem utifrån lastfallen sker med hjälp av FEM(Finita Element Metoden). Kostnadsuppskattning erhölls med hjälp av Swift-modellen 2, ett verktyg för kostnadsuppskattning vid serietillverkning. Till sist byggdes en funktionsprototyp för att verifiera konceptets realiserbarhet. 2.5 Material Dynapacs befintliga midjeled är en konstruktion nästan uteslutande i gjutjärn, ett material som är relativt billigt med hög hållfasthet och fördelaktigt att forma i nästan vilken geometri som helst. Dagens lösning dras dock med en rad problem som bidrar till att målpriset överskrids med 34%. Tätningar för lagren krävs för att skydda mot smuts och de är, på grund av placeringen, svåra att byta och medför dyra reparationskostnader. Komplexitet hos konstruktionen och andra problem ligger till grund för Dynapacs rekommendationer om att skapa ett nytt koncept. Innovationsfriheten bidrog till att skapa en ny lösning, olikt etablerade lösningar för midjestyrning. Koncepet som genererats skall också tillverkas i gjutjärn. Med låga krav på ytjämnhet har sandgjutning valts som metod. 3. Resultat och diskussion Projektet resulterade i följande lösning. Två ramar som håller samman och håller upp drivaggregatet och valsen. Styrning och tiltning tillåts av ett sfäriskt glidlager, och begränsas av ett lagerinfäst hjul som rullar i en bana. Figur 3 Midjeledens tiltfunktion Figur 4 Midjeledens svängfunktion 1 The value model 6
3.1 Ramar Ramarnas främsta uppgift är att hålla upp och hålla samman drivaggregatet och valsen hos jordpackaren. De ska även kunna ta upp laster som förekommer vid arbete. Konstruktionen är enkel, och är lätt att montera isär vid nödvändig servning. Konstruktionens design ansamlar ingen smuts som kan förstöra komponenterna. Ramarna skall tillverkas i ett material som ger en stabil och robust konstruktion med en livslängd på minst 10 år. Det skall även vara ett ekonomiskt fördelaktigt, gjutjärn ansågs då som ett lämpligt alternativ. För att se hur ramarna belastas av de pålagda lasterna har en FEM-analys gjorts (Figur 5). Detta gör att man tydligt ser vart komponenten kommer att belastas mest, och därmed vidta återgärder. Med en grovt överdriven deformation ser man att utböjningarna blir försumbara och att ramarna klarar de laster som den kan utsättas för. I Figur 5 ser man att axeln som håller lagret är kritiskt lastad och behövde dimensioneras. Figur 5 Bild från FEM-analys av CAD-modell i Inventor 1 The value model 7
3.2 Axlar och lager I den undre delen av midjeleden sitter det sfäriska glidlager (Figur 6) som möjliggör styrning och tiltning. Kring övre axeln, för hjulet, sitter en komposittorrglidbussning (Figur 7). Bussningen tillåter hjulet att rotera, som del av sväng- och tiltrörelsen, och klarar av höga belastningar vid låga varvtal. Analys av lagernas erforderliga dimensioner gjordes enligt beräkningar av ekvivalent dynamisk last och statisk last efter SKF Huvudkatalog 3. Figur 6 Sfärisk glidlager Figur 7 - Komposittorrglidbussning Axeln som ledlagret sitter på är kritiskt belastad. Detta kan ofta leda till utmattningsbrott, speciellt i fall med varierande laster. För att reducera spänningarna i axeln, har tjockleken på axeln ökats tills den kunde ta upp de laster som förekommer vid arbete med jordpackaren. En FEM-analys har gjorts av axeln (Figur 8) som är dimensionerad mot lasterna, här ser man att det inte längre föreligger någon risk för utmattningsbrott. Sammanfattningsvis kan man dra slutsatsen att den dimensionerade axeln överstiger de hållfastighetsmässiga behoven med god marginal och enligt kravspecifikationen. Figur 8 Bild från FEM-analys i ProEngineer 1 The value model 8
3.3 Hjul och hjulspår Vid tiltning rör sig hjulet i en bana hos mothållet. Banan är lutad i ändarna för att kontaktytan skall bli så stor som möjligt mellan hjul och bana för att fördela drag och tryck krafter som uppstår vid körning. Hjulet är monterat på en genomgående axel med en kompostittorrglidbussning, axeln i är presspassad i de båda länkarmarna. Hjulet är gjutet. Banan som hjulet rullar i är en utspårning i mothållet, motstående länkarm. Banan är rak med koniska ändar som tillåter och stoppar vid en tiltningsvinkel på sju grader och är större än hjulet för att det skall kunna rulla fritt. Vid stort slitage skulle banan kunna vara aningen större för att ge utrymme åt en slityta. Figur 9 Sprängskiss av midjeleden 3.4 Kostnaduppskattning Beräkning av kostnad för tillverkning av midjeleden finns att se i Bilaga 1. Resultaten visar enligt Swifts beräkningsmetoder 2 att sandgjutning av midjeleden och dess komponenter blir billigast (1245 kr/st). Tillverkningen sker hos underleverantörer och hänsyn till verktygskostnad behöver inte tas. Monteringen sker hos Dynapac och uppskattas kosta 1113 kr/st, baserat på antaganden och Swifts beräkningsmetoder (se Bilaga 1). Kostnaden för ledlager, låsring, bussning och behövda skruvar är 1066 kr. Sammanlagt kommer det att kosta 3424 kr att tillverka och montera midjeleden. Beräkningarna är inte absoluta men resultatet är rimligt. 1 The value model 9
3.5 Tillverkningsbarhet Vid produktion av komponenter i storleksordning runt 1000 enheter kan flera tillverkningsalternativ vara tänkbara. Midjeleden kan tillverkas med skärande bearbetning där utskurna stålkomponenter svetsas samman, men detta är en dyr tillverkningsmetod som visserligen ger en höghållfast produkt men som tilltalar småskalig tillverkning. Sandgjutning blir den mest ekonomiska tillverkningstekniken enligt kostnadsuppskattningen. Det är dyrt att tillverka formar för gjutning men eftersom midjeleden kommer tillverkas i tillräckligt många exemplar lönar det sig. Tre olika formar behövs, främre och bakre ram, där hjul också ingår och en gjutform för axeln. Konstruktionen är försedd med avrundade hörn, inga smala radier och en jämn godstjocklek, allt för att göra sandgjutningen enkel och problemfri. Tillströmningen av smälta ska ske stigande för att få en laminär strömning, för att minska turbulens som annars ger upphov till slagg. Viss efterbehandling kan behövas men kravet på ytjämnhet är lågt. Eftersom midjeleden har en okomplicerad design kommer gjutningen att gå lätt till utan några komplikationer. Midjeleden har även försetts med släppningsvinklar vilket gör det lätt att få ut komponenten när den är färdiggjuten. Ytjämnheten vid gjutning är grov så efterbearbetning av axeln är nödvändig. De ingående delarna i konceptet är få och ytterligare optimering för att få ner antalet blir svårt då utan att radikalt förändra eller byta ut lösningen. Grundidén är att skapa en gedigen okänslig midjeled utan snäva krav på toleranser och passform till en låg tillverkningskostnad. 3.6 Prototypframställning Tillverkningen av en prototyp tog plats i Chalmers labb. En ritning av prototypen skissades upp med målet att uppfylla midjeledens mekaniska funktioner. Modellen tillverkades i huvudsak av MDF-trä(Medium Density Fiberboard). Funktionen av det sfäriska lagret efterliknades av en golfboll som klämts fast i ramen. 1 The value model 10 Figur 10 Färdigmålad prototyp
4. Slutsats och rekommendationer Lösningen som utvecklats har visat sig fullt duglig enligt beräkningar och målpriset har underskridits kraftigt. Samtliga krav från Dynapac har uppfyllts. I projektet har problemen med den befintliga lösningen eliminerats. Midjeldeden har inga känsliga bussningar vilket medför längre servningsintervall. Ytterligare dimensionering av hjul, axlar och ramarna behövs för att kunna optimera och spara material. Ett styrlås ingår inte i midjeleden, utan monteras separat på bakramen. Principen bakom styrlåset är en bom som kan förbinda ramarna. Utmattningsprover behöver utföras för att se om midjeleden håller för verklig användning. Beräkningar på hjulet har gjorts för statiska laster, men vidare tester med dynamiska laster vid användning kan innebära att tillverkningsmetod och materialval för denna del kan behöva ändras. Eventuellt kan det bli aktuellt med smidestillverkning av vissa delar. 1 The value model 11
Källförteckning The value model, Per Lindstedt och Jan Burenius, 2006 Nimba AB Process selection second edition, K.G. Swift och J.D. Booker, 2006 Elsevier Ltd. SKF huvudkatalog skolupplaga, 2008 SKF-koncernen 1 The value model 12
Bilaga 1 För att uppskatta kostnaden för en tillverkad och monterad midjeleden har Swift-modellen använts. Sandgjutning av midjeled: Upplaga: 1000 st. Förklaring och data: Totalkostnad för en komponenet: Volym för en midjeled: 24234851 mm 3 Materialkostnad för en komponenet 0,00048 pence/mm 3 Ideel processkostnad 19 enl. Swift s. 252 Relativ processkostnad Materialets lämplighet för vald process 1 enl. Swift s. 258 Komponentens komplexitet 1 enl. Swift s. 261 Väggtjocklekskonstant 1,2 enl. Swift s. 265 Toleranskonstant 1 enl. Swift s. 268 Ytkonstant 1 enl. Swift s. 271 Kostnad för montering av midjeled: Förklaring och data: Totalkostnad för manuell montering: Monteringskostnad per sekund 0,083 kr/s Hanteringsindex Se tabell 1 Komponenthanteringskarakteristik Rotationssymmetri Komponenthanteringskänslighet Kompatibilitetsindex Se tabell 1 Monteringsprocess Pålägg pga. Design Pålägg pga. Montering där och 1 The value model 13
Montering Lager + hjul + axel 2,3/2,6 Bussning + länkarm + axel 2,4/2,6 Ram + axel 2,4/2,6 Summa 7,1/7,8 Tabell 1 Montering av midjeleden uppskattas ta 15 minuter, vilket ger att montering av midjeleden kostar 1113 kronor. 1 The value model 14