Bearbetning med hänsyn till funktion

7. 5 Konceptförädling

I detta avsnitt presenteras vidareutvecklingen av det valda konceptet.

Arbetet inleddes med att utveckla konstruktionen med avseende på produktens funktion. Här genomfördes relevanta beräkningar och val av material. Därefter kontrollerades konceptet mot kravspecifikationen i hur väl det uppfyller de ställda kraven.

Slutligen bearbetades konceptet med utgångspunkt från produktutvecklingsverktygen DFM, DFA, DFMain och DFE.

7.5.1 Bearbetning med hänsyn till funktion

När konceptet först utvecklades gjordes det med utgångspunkt i att göra produkten så bra som möjligt. Inspiration togs från andra produkter där liknande funktioner är i bruk och därför antogs fungera i detta koncept. Nedan visas en bild för att illustrera konceptet innan omkonstruktion.

Den gråa delen runt stången kommer kallas pressdel.

Den svarta delen kommer kallas pressyta.

Fjädrarna kommer kallas fjädersystem.

Låset sitter på fästet och kommer kallas metall-lås.

Den gråa delen som fästs på stången kommer kallas fäste. Den svarta delen på pressdelen

kommer kallas clips.

Figur 1. Renderar bild över koncept

54(116)

7.5.1.1. Beräkningar Fjädrar

För att få en lämplig belastning från ett antal fjädrar samt dimensionera dessa togs hänsyn till fjädringen. En fjäder med låg fjäderkonstant har en längre fjädringslängd vilket ger en mjukare belastning. Detta förtydligas i beräkningarna nedan.

I samspråk med Lars Bark, Universitetsadjunkt i konstruktionsteknik på Mälardalens högskola, den 26 maj fastslogs att risken för att någon fjäder pressar snett är otänkbar eftersom krafterna endast sker i en och samma led som fjädrarna.

Det finns olika fjädrar, exempelvis cylindrisk skruvfjäder, som används vid drag/tryck eller vridmoment, konisk skruvfjäder med rund tråd som används vid tryck. Till detta arbete väljs cylindrisk skruvfjäder med rund tråd eftersom de ofta används för tryck. (Olsson, K. sid 92)

Fjädrars karakteristik är fjäderns viktigaste egenskap och innebär sambandet mellan kraft och deformation. De olika typer av karakteristik som finns är följande:

Progressiv fjäderkarakterstik: En icke-linjär karakteristik där kraften ökar exponentiellt mot

deformationen. Progressiv betyder ”gradvis stigande”

Linjär fjäderkarakterstik: En linjär karakterstik innebär att förhållandet mellan kraft och

deformation är linjär.

Degressiv fjäderkarakterstik: En icke-linjär karakteristik där deformationen ökar

exponentiellt mot kraften. Degressiv kan översättas med ”gradvis avtagande”. (Olsson, K. sid 94-95)

Fjädrar med linjär karakteristik väljs eftersom det ger en lämplig sammanpressande sträcka. Referens kraft

Som referens i beräkningarna användes de substituerande övningarna Flys i cable och Flyes med hantlar, se 7.4.1. Substituerande övningar och kort om grepp. Dessa isolerande övningar utförs sällan av träningspersoner med vikter över 20 kilo per hand. Därför sätts 25 kilo som referens eftersom ett tryck på 20 kilo då innefattas.

Referens fjädringslängd

En lämplig sammanpressnings-sträcka är 100 mm eftersom detta ger en längre sträcka att pressa ihop fjädrarna på. Med detta avstånd kan fästet sättas närmare kanten på stångens greppyta eftersom träningshjälpmedlets fjädring då kan tryckas in med en sned hand inledningsvis.

För att dimensionera fjädrarna utfördes följande beräkningar: 25kg = 25* 10N = 250N

F = Kraften, i detta fall trycket, på fjädrarna  kraften fjädrarna kan alstra.

k = fjäderkonstant som beskriver förhållandet mellan kraft och deformation, Hookes lag. x = fjäderns sammanpressning

Detta ger:

k

k

k

Val av fjäder

Här väljs tryckfjädrar med artikelnummer 22290 från Sodemann eftersom fjädrarna har en fjädringslängd på 97,10 mm. Teknisk information om fjädrarna presenteras nedan:

d Tråd [mm] De Diameter Utv. [mm] Di Diameter inv. [mm] L0 Fri längd [mm] Ln Max längd belastad [mm] Sn Max fjädringslängd [mm] n Fjädrande varv Fn Max kraft [N] R Fjäderkonstant [N/mm] 1,25 13,75 11,25 130 32,90 97,10 18,50 57,51 0,57

Tabell 3 visar fjäderns tekniska information

Parallellkopplade fjädrar

Vid parallellkoppling av fjädrar får alla fjädrar samma deformation och krafterna från dem summeras: ∑

Karl-Olof Olsson (sid 92-96)

Med blir därför x antal fjädrar:

= 4,385

Val av antal fjädrar

För att ha symmetri i konstruktionen och en jämn belastning på konstruktionsdelarna eftersträvades ett jämnt antal fjädrar.

Maxkraften per fjäder var 57,51N. Vid 4 fjädrar blir maxbelastningen för fjädersystemet följande:

om alla fjädrar pressas in max.

För 6 fjädrar blir maxbelastningen från fjädersystemet:

56(116)

En kraft på 230,04N innebär att fjädersystemet med 4 fjädrar pressas samman 97,10 mm. Med lika stor kraft som belastningen är på fjädersystemet med 6 fjädrar skulle fjädringslängdsändringen bli:

( )

Sex fjädrar omfattar referensbelastningen och ger en relativt mjuk belastning samtidigt som fler fjädrar ger konstruktionen en ökad stabilitet mellan pressdelen och fästet. Därför väljs 6 fjädrar. Ökat antal fjädrar försvårar även vridning och utdragning av fjädringssystemet.

Träningshjälpmedlets belastningsgrad

Med värdena på fjädrarna samt tidigare beräkningar skapades en linjär belastningsskala med förhållandet mellan kraften och fjädrarnas längdförändring för en bröstmuskel, vilket

illustreras nedan. Ett större diagram över skalan finns under bilaga 7.

Bild 50. Fjädrarnas förhållande mellan fjädringsförändring och belastning

Eftersom 6 fjädrar är parallellkopplade med fjäderkonstanten 0,57 N/mm förenklas formeln till F = 3,42* x. Utdragning av fjädersystemet är direkt proportionell mot sammantryckning av fjädrarna med avseende på fjädringslängden och därför kan samma belastningsskala som Bild 50 visar tillämpas.

0 35 70 105 140 175 210 245 280 315 350 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 B e lastan d e k raft [N ] Fjädrarnas längdförändring [mm]

Linjär belastningsskala för fjädersystemet

Fäste

Fästets och pressdelens bredd ökade från 10mm till 30 mm eftersom viktlåsens bredd var 35mm.

Uträkningarna nedan beräknades för att se om konstruktionen håller och vilket resultat som fås. Ett fäste består av två halvcylindriska delar med en diameter på 30mm som ska klara av en axiell kraft på ca 350N. I fästet placeras ett friktionsmaterial för att fästa mot stången. Göran Svensson konsulterades för beräkning av fästet den 25/5 i samband med val av material. Vid detta möte visades konceptet i Figur 2 i Solid Works.

Fästets yta mot stången beräknas på fästets komponenters minsta diameter mot stången, 30mm, som formar en mantelarea mot stången.

Friktionsytans material valdes till TPE-E som har liknande egenskaper som SIS, enligt Göran. Till hjälp användes materialprogrammet CES där SIS egenskaper studerades. Alla material egenskaper finns under bilaga 8.

Ur CES lista på egenskaper avlästes SIS sträckgräns mellan 7.33 – 8,09 MPa därpå värdet 7 MPa valdes för överslagsberäkning.

För att ha en säkerhetsmarginal mot materialets sträckgräns valdes Ns = 4.

Detta innebär att materialytan i fästet har 1,75N/mm2. Friktionskraften vid rörelse är:

där F = kraften

f = friktionskoefficienten N = Normalkraften

(Björk, L., Brolin, H., Pilström, H., Alphonce, R, sid 44)

Glidfriktionskoefficienten, µk lästes ur en tabell till 0.3-0.4 där 0.3 valdes.

(Nyberg, C. sid 109)

Eftersom ett tryck kommer uppstå användes formeln: där F = kraften vinkelrätt mot ytan

p =trycket [N/mm2] A = ytan mot stången (Björk, L, sid 45)

Vidare innebär detta att fästes kommer låsas med följande kraft:

58(116) Fästets mantelarea mot stången är .

(Björk, L, sid 9)

Låset kommer alltså låsa med F Detta ger = 4,3 mot att fästet lossnar av utövarens kraft.

7.5.1.2 Konstruktion Fästen

Två halvcylindriska delar konstruerades som fästdel eftersom de måste placeras direkt på stången.

Lås

Fästdelen låses fast på stången med ett metall-lås och pressdelen fästs med ett clips.

Utövarens press-del

Dessa två halvcylindriska delar fästs med ett clips och öppnas genom att clipsöppnaren pressas upp. Pressdelen är utformad för att passa handen när den greppar en stång.

Fjädrar

Fjädrar är valda efter beräkningar, se kap 7.5.1.1 Beräkningar.

Skyddsdelar

För att skydda användare och andra personer i närheten placeras en skyddskåpa över fjädrarna. Mellan fjädrarna dras även en nylontråd för att förhindra flygande delar vid brott. Efter konsultation med handledaren angående brott av fjäder beslutades att en nylontråd på 1 mm kunde dras mellan fjädrarna eftersom inga stora krafter förekommer vid olycka och detta antas hålla. Detta är en beprövad säkerhetsåtgärd för fjädrar enligt handledaren.

Pressytan

För att utveckla en ergonomisk utformad pressyta införskaffades My Dough från Zetterlunds samt ett rör från Claes Ohlson. Syftet var att forma ett avtryck på en deg som visar hur belastningen sker på handens pressyta Röret representerade skivstångens greppyta och My Dough pressytan där handens sida pressar träningshjälpmedet.

Utveckling av pressytan

Plats: Rudbecksgatan 13, Västerås. Datum: 2012-05-28

Röret hade diametern 32 mm vilket ansågs godtyckligt nära greppytans diameter på 28mm. Längdskillnaden beaktas senare vid resultatet. Fler bilder finns under bilaga 9.

Siffra 1 i Bild 52 kommer kallas pekfingrets knoge. Siffra 2 kommer kallas tummens rot.

Tester gjordes i två omgångar av författaren för att kunna jämföra resultaten vid eventuella misstag

Först kavlades de två degarna ut på ett bord. Sedan greppades röret i handen så att handens pressyta stack ut lite för att simulera verkligt förhållande.

Handen pressades sedan ned mot degen på bordet. För att få ett djupare avtryck i degen pressades handen med lämplig kraft eftersom ett djupare avtryck ger en tydligare bild av handens form. Båda degarna pressades med högerhanden.

För att veta förhållandet mellan pekfingret och tummens rot markerades detta med tandpetare, därefter studerades avtrycken.

Båda avtryckens största diameter var kring 85mm. Eftersom röret var 4 mm tjockare än en skivstång reducerades diametern till 81 mm till träningshjälpmedlet.

2

Bild 51. Införskaffat material. Bild 52. Rörets placering i handen.

1

60(116)

För att ge läsaren en tydligare bild på avtrycket togs en bild med mer skugga i Bild 55.

Analys av testet

Förutom avtryckets diameter kunde en dalande form urskiljas mellan pekfingrets knoge och tummens rot, siffra 1, samt djupare avtryck för fingrarnas yta mot degen, siffrorna 2 och 3. Efter detta test ökades pressdelens och fästets diameter till 70 mm eftersom en mindre yta kändes mer ergonomiskt enligt både författaren och testpersonen i tidigare funktionstest.

7.5.1.3 Materialval

Material valdes med hänsyn till de påfrestningar som konstruktionen ska utså, hur billigt materialet är samt dess framställningskostnad och även med hänsyn till den relativt oaktsamma miljö ett gym kan vara.

För materialval samt produktion konsulterades Göran Svensson, Universitetsadjunkt, Mälardalens högskola den 28 maj 2012.

Till fästet valdes Polypropen (PP), en plast med mångsidig användbarhet, utmärkta bearbetningsegenskaper samt låga pris.

(Edshammar, L. sid 87)

Till pressdelen valdes också (PP).

Till låsets delar valdes aluminium tack vare det låga priset samt behandlingsvänlighet vid till exempel målning av komponenter för eventuell utformning av företagsidentitet.

Till fjädrarna valdes AISI 302 rostfritt enligt Sodeman. Till utövarens pressyta valdes skumgummi.

Till friktionsdelarna på fästet valdes termoplasten TPE-E-gummi tack vare materialets höga resistens mot böjutmattning och krypning samt inre låga friktion. Låg krypning och hög resistens mot böjutmattning främjar materialets förmåga att återgå till ursprungsläget.

(Edshammar, L. sid 185)

Bild 55. Testets resultat Bild 56. Bild som förtydligar resultats diskussion

2

1

61(116)

Till skyddsdelen valdes plasten PE-LLD(Polyeten) eftersom den har låg densitet, hög slagseghet och hög rivhållfasthet.

(Edshammar, L. sid 52)

Som tråd genom fjädrarna valdes nylontråd.

7.5.1.4 FMEA

En FMEA-analys av konstruktionen utfördes för att åskådliggöra brister i konstruktionen. Formuläret finns i bilaga 9. Av analysen framkom attom en fjäder förolyckas blir feleffekten oftast att hela fjädersystemet havererar vilket pekar på att allvarlighetsgraden av detta är hög. För att förhindra att fjädrarna förolyckas bör dessa kvalitetssäkras ytterligare eller så kan en cylinder placeras genom varje fjäder för att hålla den på plats vid olycka.

7.5.1.5 Prisanalys av bearbetat koncept

En komponent kan tillverkas på olika sätt och därmed ge olika tillverkningskostnader.

Prisbilden som presenteras är en grov uppskattning eftersom enbart materialkostnad för två träningshjälpmedel beräknas. Materialens bearbetningsförmåga beaktades vid framställning vid val av material, se kapitel 7.5.1.3 Materialval. Författaren har begränsade

teoretiska kunskaper om tillverkning och tillverkningsmetoder samt för kort tid i projektet att fördjupa kunskaperna för att ta fram en mer korrekt prisbild.

Styckpris

På Sodemanns webshop är styckpriset på fjäder 22290 55,60kr exklusive moms. Se bilaga 10. Polypropen (PP) kostade 0,6 Euro/kg i Europa under maj månad 2012 enligt plasticker.de Dessa siffor är baserade på större volymer och erbjudna priser från Material Exchange och visar inte priser vid avtal. Material Exchange är en marknadsplats på plasticker.de där företag erbjuder och förhandlar priser sinsemellan. 1 EUR0 räknas som 10 kr.

62(116)

Fästet består av Polypropen (PP) och väger 41,81genligt Solidworks. Därför uppskattas priset till 0,04181 * 0,6*10 = 0,25 kr av författaren.

Pressdelen, som består av två näst intill identiska delar, består av samma komponenter och uppskattas därför till 0,25 kr av författaren.

Ett ställbart excenter-lås kostar 36 kr exklusive moms på Jula med byglingar. Nylontråd kostar 24.90 kr inklusive moms för 48m från Panduro.

Skumgummi med måtten 120x200x2cm finns för 158 kr, men räknas inte med i styckpriset eftersom spillbitar borde gå att använda för att hålla priset nere.

Clipsen är integrerade i pressdelen och beräknas därför inte.

Två skyddskåpor materialkostnad uppskattas till 1kr sammanlagt av författaren. Friktionsdelarna på fästet uppskattas kosta 1 kr sammanlagt av författaren.

Uppskattningspriset för materialkostnader för en enhet träningshjälpmedel, vilket innebär två träningshjälpmedel, hamnar därmed kring 2 *( 37,5 kr + 6*55,60kr) + 24.90kr = 768,10 kr

Större volymer

Fjädrarna var de dyra komponenterna vid prisuppskattningen för en enhet. Eftersom större volymer ger reducerade priser presenteras en uppskattning av 1000 enheter träningshjälpmedel. Momsberäkningen sker med 20%.

Fjädrarnas styckpris räknas om till 6,67 kr exklusive moms. Priset borde vara billigare men inga uppgifter eller svar på mail har erhållits. Se bilaga 10 för pris.

Detta ger:

2000*6*6,67kr = 80040 kr exkl. moms

Fästet och pressdelen räknas sammanlagt som 0,50 kr. Detta ger 2000*0,50kr = 1000kr Skyddskåpan uppskattas till 1 kr. Detta ger 2000*1kr = 2000kr

Efter kontakt med Kenneth Jansson på Jula i Västerås den 7 framkom att Jula inte kunde leverera en volym på 2000 lås. Då kontaktades Richard Lindberg på Claes Ohlssons företagssida för en offert på excenterlås, se bilaga 11. Totalkostnaden utan moms blev 35000 kr.

Nylonbalar som behövs:

35*24,90kr = 871,50 kr inkl. moms  0,8*871,50kr = 697,2kr kr exkl. moms. Pressytans area är 1602mm2 + 1381mm2 = 2983mm2 = 29,83cm2 enligt Solid Works. Skumgummit som beställs har arean: 120 * 200 cm2 = 24000 cm2

Detta ger:

Skumgummits pris blir därför 3*158kr = 474 kr inkl. moms  0,8 * 474kr = 379,2 kr exkl. moms

Styckpris för materialkostnad beräknad på 1000 enheter exkl. moms:

64(116)

In document Power Press Spring (Page 53-64)