Finita elementmetoden, (FEM) analys

Fel på produkten kan detekteras med hjälp av FEM- analys, som används vid produktutveckling. FEM-analys är en datoriserad metod där man kan förutsäga hur produkten kommer att reagera på faktiska krafter, värme, vibrationer och andra fysiska effekter. Den här metoden kan till exempel identifiera i vilken punkt produkten kommer att brytas eller slitas ut, eller om den kommer att hålla som tänkt. Designern försöker analysera produktens beteende och förutse vad som skulle kunna hända när produkten används.

Nu för tiden är det inom de flesta industri branscher svårt att föreställa sig att lösa något problem med hjälp av elastiska och strukturella analyser utan att använda FEM-analys, vilken tillsammans med CAD-programmet är ett ovärderligt tekniskt verktyg.

Vid produktutformningen är det alltid bra att jämföra handberäkningarna med resultaten från FEM-analysen, för att kolla om värdet är verkar rimligt. För 30 till 40 år sedan var det nästan omöjligt att förutse några av de problem som idag kan ses med FEM-analysen.

3.10. Ergonomi

Enligt arbetsmiljöverket innebär ergonomi att anpassa arbetet till människan för att förebygga risker för ohälsa och olycksfall. Det handlar i hög grad om hur man planerar och organiserar arbetet. Det krävs att man ser det som en helhet.

Tanken är att maskinen ska anpassa sig till människans bio-psykosociala begränsningar och krav ställs för att maskinens användning ska bli effektivare, säkrare och tillförlitligare. Vid konstruktion av en enhet måste ingenjörer beakta bekvämligheten förknippad med att använda enheten, anpassa den till personen i ett visst arbetsutrymme och sedan testa att använda maskinen och kontrollera den i en verklig miljö och situation.

En viktig faktor är förstås också säkerheten vid användningen av maskinen. Om designen är osäker kommer vi aldrig att få en kvalitetsprodukt, men å andra sidan blir inte produkten

35

Figur 39 mänskliga styrkan

Vid konstruktion av varje produkt är det extremt viktigt att ingenjörer anpassar produkten till användaren, det vill säga, att den blir bekväm att använda på alla sätt och vis.

De fysiska egenskaperna hos de flesta människor finns tillgängliga i form av geometrisk standardmått såsom höjd, armomkrets, och andra antropometriska data. Dessa data kallas "data om mänskliga mått". Det är viktigt att antropometriska data ger en rad olika dimensioner. Uppgifter som baseras på civila, militärpersonal och barn är olika, så formgivaren måste komma ihåg produktens syfte, liksom positionen i vilken människor kommer att använda produkten. Figur 39 visar den genomsnittliga mänskliga styrkan i olika kroppspositioner. (Ullman, D., 2010.)

Produkter måste därför utformas med viktiga funktioner som lätt kan ses, för att möjliggöra enkel kontroll och användning av enhetens funktioner. Användaren av en enhet ska kunna förstå den genom lättillgänglig information om hur denna enhet fungerar. Om informationen för hantering och kontroll som är tillgängliga på apparaten är oklara, blir produktens kvalitet lägre och dessutom ökar riskerna vid användning. Nedan presenteras några olika ergonomiska aspekter av lyfthjälpmedel.

Händerna ska vara inom lämpligt arbetsområde, även kallat boxen. Figur 40 illustrerar detta. Enligt standard SS-EN 1005-3 + A1: 2008, lyder nedan en definition av boxens begränsningsområden:

A. Höjd från golv till axlar

B. Höjd från golv till knogen när armarna hänger längs kroppens sidor C. Avståndet mellan armbågarna med armarna utsträckta åt sidan

36

Figur 40 visar arbetsområdet för händerna

Figur 40 visar “boxens” begränsningsområde. Måtten är individberoende. Rekommenderade mått för att anpassa det till både korta kvinnor och långa män: A= 1300 mm, B= 800 mm, C= 850 mm, D= 600 mm (GME Ergonomics Procedures)

Arbetet ska utföras inom “neutralt” område för handleden. Med neutralt läge menas att handledens rörelseområde vid bakåtböjning (extension) borde vara max 30 grader, samt 45 grader vid neråtböjning (flexion). Dessa mått visas i figur 41.

Figur 41 Rätt arbetsställning för handled

Figur 41 visar arbetsområdet ”för neutral handled”, gränser för uppåtböjning/extension och neråtböjning/flexion. Dessutom visas gränser för sidoböjning åt lillfingersidan med avvikelse och sidoböjning åt tum sidan med avvikelse. (GME Ergonomics procedures)

37

Figur 42 Lämplig storlek i förhållande till handgrepp

Handgreppet bör ha en diameter mellan 2–4 cm och vara greppvänligt.

3.11. Produktsäkerhet och målet med riskförståelse

En aspekt av produktförståelse som ofta försummas i slutet av ett projekt är produktsäkerhet och ingenjörers ansvar för det. För att utforma en säker produkt som inte kommer att orsaka skador eller förluster måste två frågor analyseras och besvaras. Det viktigaste när det gäller säkerhetsdesign är att göra en fullständig definition och analys av skyddet för personer mot skador som kan orsakas av produkten. Förutom hänsynen till människors säkerhet innebär försiktighetsåtgärder att man ska vara uppmärksam på förluster av annans egendom som påverkas av produkten och produktens inverkan på miljön i händelse av en funktionsstörning. Ett försummande av säkerheten gällande ovan nämnda aspekter kan leda till en farlig situation. Det finns tre sätt att bidra till produktsäkerhet. Säkerhetsdesign bör implementeras direkt i produkten - i så fall är produkten inte farlig under normal drift eller i händelse av en funktionsstörning. Om det är omöjligt finns ett annat tillvägagångssätt för att skapa design för säkerhet, nämligen att man exempelvis lägger till skyddsanordningar runt produktens roterande delar.

38

Den tredje och svagaste formen av säkerhetsdesign är en varning för farorna som är förknippade med användningen av produkten. Figur 43 visar på ett smått komiskt sätt hur detta kan se ut ibland. Varningssystemet kan vara utformat med exempelvis etiketter, höga ljudsignaler eller blinkande lampor. Det är dock alltid önskvärt att utforma skydd.

På varje företag måste det finnas ett dokument som innehåller all nödvändig informationer om systemets säkerhet, särskilt för att säkerställa utrustning, produkter och anläggningar. I detta dokument bör det finnas enkla metoder för att lösa alla faror, vilka definieras som situationer som om de inte korrigeras kan leda till dödsfall, personskada, sjukdom, skada eller förlust av utrustning. (Ullman, D., 2010, sid. 230)

3.12. Idégenerering

Design är ett organiserat system där nya idéer och koncept tas fram och är ett enkelt sätt att hitta nya lösningar på problem. I detta skede ligger fokus på kreativitet och en djupare analys av problem som kan dyka upp i senare utvecklingsstadier. Precis då är det nödvändigt att bryta det tidigare tankesättet och anta ett helt nytt. Mycket ofta i praktiken är det de enkla idéerna som utgör de bästa lösningarna. (Lyssna på kunden, 2016)

Det är viktigt att bevara alla idéer i detta skede och ta dem i lika beaktande eftersom en lösning kan uppträda i en helt oväntad form. En väl utförd analys och ett problems beskrivning är ofta bra källor till färska idéer. Det finns dock några situationer i vilka det inte är fallet och då bör andra metoder användas. Det är viktigt att det alltid finns flera olika lösningar i själva designprocessen och inte bara en eftersom det kan hända att konkurrenterna upptäcker en bättre lösning.

Utvecklingen av ett stort antal nya idéer ökar sannolikheten för att hitta riktigt bra lösningar på ett aktuellt problem. Kreativitet och upptäckt av nya innovativa tekniska lösningar ställer krav på ingenjörer - de måste ha en bred kunskap om olika teknologier och ibland kunna förkasta de traditionella tankesätten. Förmågan att bryta interna tankemönster är naturlig för vissa människor, medan det är lite svårare för andra.

3.13. CAD - Computer Aided Design

Grafiska modeller skapas på de flesta företag med hjälp av lämpliga mjukvaror även om vissa också använder mer traditionella ritningsmetoder med 2D-CAD-paket. De är, oavsett vilket, en oumbärlig del av konstruktionsprocessen - för att bevara den geometriska utformningen av konstruktionen samt att visa den designade produktens utformning i fortsättningen av processen. Det är också möjligt att simulera produktens funktion där dess fullständighet kontrolleras. Alla detaljer är synliga för formgivaren själv och annan personal, vilket möjliggör för att utföra designeruppgifter. På detta sätt är det möjligt att komma överens om idéer som används för att bilda nya koncept. (Ullman, D., 2010.)

Designprocessen i sig innehåller ett stort antal ritningar, det vill säga skisser, som är nödvändiga för att visa produktens slutliga koncept så precist som möjligt. Denna information överförs sedan till detaljer och ”assembly”-ritningar. När ritningarna utvecklas blir produktens geometri alltmer uppenbar och dess funktion förbättras.

I moderna CAD-system ritas grafiska modeller av produkter vars design blir mer automatiserad på grund av systemets olika hjälpfunktioner. Dessa system möjliggör för konstruktören att skapa

39

fasta modeller av komponenter och sammansättningar. Denna designmetod har några olika för- och nackdelar. Sådana modeller möjliggör en snabb representation av koncept och visar hur produkten kan monteras och köras utan den färdiga prototypen. Figur 44 visar en typisk arbetsplats för en CAD- konstruktör.

Dessa verktyg har dock också en nackdel: skissandet pågår längre därför att skisserna används som ett snabbt sätt att utveckla ett stort antal idéer. Det tar utan tvivel mycket tid att lära sig bra modellering.

40 4. RESULTAT

4.1. Slutprodukten

Efter tio veckors examensarbete erhölls det önskade resultatet i form av underlag för vidare tillverkning av en prototyp av lyftverktyget. I figur 45 presenteras den resulterande produkten av arbetet; ett säkert och lätthanterligt lyftverktyg för familjen av RBP900- pinjonger. Själva verktyget är tillverkat av materialet konstruktionsstål S355J2+N.

Figur 45 Lyftverktyg för RBP 900- pinjong

Huvudmåtten på lyftverktyget är 408 mm på höjden och 126 mm på bredden. Hela lyftredskapets massa är 2,8 kg. Lyftverktyget är konstruerat för att passa för RBP 900- familjen som innefattar artiklar pinjongerna 2027220, 2027223 och 2027226. Figur 46 visar alla dessa pinjonger fastsatta i lyftverktyget.

41

Figur 46 Olika pinjonger från RBP 900- familjen i lyftverktyget

Pinjongen med artikelnummer 2027220 har sin tyngdpunkt rakt under lyftverktygets grepp då den sitter i lyftverktyget. Pinjongerna med artikelnumren 2027223 och 2027226 har mindre diametrar i skalen samtidigt som vikten av skalen också är mindre. Av den anledningen ligger deras tyngdpunkter mer mot skaftet, eller mellan 10 och 15 millimeter utanför centrum av lyftverktygets grepp. Detta orsakar dock så små moment att det inte påverkar lyftverktygets lätthanterlighet nämnvärt. Figur 47 visar de tre nämnda pinjongerna fastsatta i lyftverktyget och var deras tyngdpunkter ligger.

Figur 47 Tyngdpunktens läge hos olika RBP 900- pinjoner

Verktyget består av relativt få komponenter, och kräver inte någon komplicerad tillverkning. Verktyget är lätt att montera och lätt att underhålla i det fall någon del behöver bytas på grund av slitage. Under materialvalsprocessen var de huvudsakliga egenskaperna som till slut avgjorde valet av S355 att det har mycket bra svetsbarhet, är lågkolhaltigt och att det är tillgängligt från lager i form av varmvalsad stång i runt, fyrkantigt och platt format. Figur 48 visar de mekaniska egenskaperna för konstruktionsstålet.

42

Figur 48 Mekaniska egenskaper för konstruktionsstål

Tillverkningen av delar till prototypen omfattar i stort sett två typer av maskiner för bearbetningen; svarv och fräs. Delkomponenter, som låsbult, ögla och performplåt, kommer att beställas från leverantörer som tillhandahåller sådana färdiga delar.

Figur 49 Sammanställningsritning av lyftverktyget

Figur 49 visar en sammanställningsritning av alla delar som lyftverktyget består av. Dessa kan även ses i en sammanställningsritning i bilaga 18.

43

På toppen av lyftredskapet sitter öglan som är fastsvetsad med greppet. Greppet är i sin tur ihopkopplat kroppen av lyftverktyget som håller gripklon och kroken. På själva kroppen finns en låsbult som säkerställer att den är i låst läge när lyftverktyget håller i en pinjong. Verktyget är utformat för att operatören först ska häkta fast skaftet av pinjongen med kroken direkt mot backplanet. Sedan öppnas gripklon, och med hjälp av låsbulten säkerställs sedan att den ligger an mot det främre planet av pinjongen, och att det läget är låst. På det sättet sitter pinjongen säkert fast i lyftverktyget och är därmed redo för användning.

I början av designprocessen ansågs det tillräckligt att en 2 mm tjock gummiremsa, se figur 50, limmades på krokens innerradie för att förhindra skador på den cylindriska delen av pinjongen. Men på grund av den högre slitstyrkan hos performplåt valdes det istället för gummi. Performplåt är en typ av polyuretan som är gjuten på plåt och tillverkas med största omsorg och precision för att möta industrins högt ställda förväntningar och krav på kvalité och prestanda. Performplåten som syns i figur 51 är utformad med samma radie som kroken och kan monteras och demonteras med två skruvar och en styrpinne.

Figur 50 Gummiremsa

44

Lyftredskapet är utformat för användning vid en testmaskin, men efter samtal med operatörerna drogs slutsatsen att verktyget även kan användas vid riggprocessen i slipmaskinen. Figur 52 visar testmaskinen som lyftverktyget från början var avsedd för, och figur 53 visar slipmaskinen som även den lyftverktyget kan användas för.

Figur 52 Pinjong och testmaskin

45 4.2. FEM- analys

Den projicerade kraften på lyftverktyget valdes till 400 N. Kraften valdes till just detta värde för att utreda om en statisk belastning på två gånger den maximala arbetsbelastningen var möjlig utan att orsaka permanent deformation. En RBP 900 pinjong väger mellan 18 kg och 23 kg, vilket motsvarar en normal arbetsbelastning på ungefär 200 N. Denna arbetsbelastning dubblades alltså för säkerhets skull, till 400 N, vilket motsvarar ungefär 40 kg.

Vid krafter på 400 N erhölls den maximala spänningen på 69 N/mm2. I figur 54 syns den maximala spänningen i rött på kroken. Den beräknade tillåtna maximala spänningen var 177,5 N/mm2 med en säkerhetsfaktor på 2, vilket innebär att kroken klarar av belastningen utan några problem. Ekvationen för normalspänningen i bilaga 8 uttrycker detta matematiskt, och kan ses som en bekräftelse på att kroken är godkänd rent hållfasthetsmässigt.

Figur 54 Den största spänning som uppstod var 69 N/mm2, och visas i rött i figuren. 69N/mm2

< 236 N/mm2

Vidare visar figur 55 den maximala deformation på 0,896 mm som uppstår i änden av kroken när den är belastad med en kraft på 400 N. Om kroken belastas med en kraft på 1000 N uppstår en deformationen på 2,2 mm, vilken inte påverkar funktionen att flytta en pinjong från en plats till en annan.

46

På grund av analysen med den pålagda kraften på 1000 N, kunde slutsatsen dras att verktyget kan klara av att lyfta en vikt på 100 kg. Spänningen på kroken uppgår då till 173 N/mm2,se figur 56, vilket fortfarande är under den tillåtna spänningsgränsen. Slutsatsen kan alltså dras att 100 kg är den maximala vikt som man kan belasta lyftverktyget med, vilket är mycket mer, än belastningen från en pinjong.

Figur 56 Simulering vid maximal vikt på 100 kg på lyftverktyget

Under designprocessen av lyftverktyget utfördes FEM- analyser och även analytiska analyser av spänningar på kroken. Resultaten matchar inte exakt varandra för att FEM- analysen använder sig av kontinuerliga krafter medan den analytiska metoden förenklar kraften till en punktkraft. Det betyder att kraften ligger i en punkt i botten av kroken. Så, på grund av detta erhölls en liten skillnad mellan resultaten. Enligt FEM- analysen uppgår spänningen i kroken till 69 N/mm2_{, och}

47 4.3. Riskanalys

Riskanalysen genomfördes utifrån de mallar och dokument som tillhandahölls av Scania. De ifyllda blanketterna kan ses i sin helhet i bilaga 14 till 17. Utifrån dessa dokument kunde ett antal slutsatser om riskerna med lyftverktyget dras.

Riskerna förknippade med lyftverktygets mekaniska hållfasthet uppskattas som medelhöga, trots att en säkerhetsfaktor 2 har använts vid dimensioneringen. Konsekvenserna vid ett hållfasthetsmässigt haveri uppskattas som svårare. Ett exempel på detta kan vara om pinjongen faller ner på användarens fot och skadar denna. Dock definieras sannolikheten för skada som liten. Informationsåtgärder rekommenderas som skydd mot riskerna.

Riskerna förknippade med bruksanvisningen tillhörande lyftverktyget handlar om att risker kan uppstå om information angående handhavandet saknas vid användning. Dessa risker uppskattas vara lika stora och ha samma konsekvenser som riskerna kopplade till hållfastheten.

En konkret risk som identifierades under utvärderingen av det färdiga konceptet var att pinjongen kan ramla ur lyftredskapet om den utsätts för en stöt underifrån. Ett exempel på detta kan vara om pinjongen slår emot ett bord, skåp eller en maskin under lyftning. Pinjongen kan då orsaka skada på utrustning eller operatör.

48 5. ANALYS

Analysen utgår från de frågeställningar som behandlats i den här rapporten. Dessa är: - Hur projektet planerats

- Hur analyser har utförts och hur framtagningen av kravspecifikationer har gått till - Hur det säkerställts att rätt koncept valts

- Hur säkerställningen av lyftverktyget gått till

Följande rubriker kommer att behandla frågeställningarna en i taget. 5.1. Hur projektet planerats

Projektplaneringen var en väldigt viktig fas. Projektets plan möjliggjorde för alla deltagare att hur och när de uppsatta målen skulle nås för att komma till det slutliga resultatet - ett underlag för ett lyftverktyg. I början var det viktigt att skapa en enkel förteckning över alla arbetsmoment samt definiera de olika utvecklingsfaserna och tidsgränserna. Gantt-schemat hjälpte väldigt mycket, då det fungerade som ett värdefullt medel för att bestämma de olika tidsgränserna som skulle hållas.

Projektets plan tillkom som resultat av alla deltagares samfällda aktiviteter, kunskaper och erfarenheter. Vid planeringen av projektet togs flera olika saker med i beaktning. Som exempel kan nämnas: tidigare erfarenheter från alla inblandade i projektet, insamling och granskning av information, slutsatser som drogs under projektets gång och olika idéer som utvärderades under projektet.

Efter att alla olika aktiviteter hade definierats var det dags att fastställa hur mycket tid var och en av dem skulle kräva. Som exempel på detta kan nämnas: hur många dagar informationssamlingen, val och utveckling av koncept, CAD-ritning och beräkningar skulle ta. Till slut bestämdes start- och slutdatum för varje aktivitet.

5.2. Hur analyser har utförts och hur framtagningen av kravspecifikationer gått till