Fjädring - Utveckling av valt koncept - Utveckling av en ny typ av båtstål åt Rupert Marine AB

7.3 Utveckling av valt koncept

7.3.1 Fjädring

Första tanken var att nyttja en blockerbar gasfjäder som både fungerar som fjäder och inställare av höjd. Främsta nackdelen med en sådan var att den inte gav möjlighet att manipulera

fjäderkaraktäristikan utefter användarens vikt. En annan stor nackdel var tveksamheter i hållfastheten. Troligtvis skulle de inte hålla för de uppställda kraven. Tillverkaren kunde bara ge riktvärden för hur mycket den skulle hålla för.

En konventionell stötdämpare medför också problem att ställa in efter vikt. Den kan kombineras med en ställbar dämpare vilken man ”pumpar upp” efter vikt, en lösning som är vanlig bland många stolar. Ett stort problem med dem är att de är svåranvända. Det är lätt hänt att man dels inte vet hur de ska användas och man får heller inte alltid återkoppling från systemet. Men framför allt är det lätt att glömma att ställa in den, med följden att stolen i första vågen ”slår i botten” och skapar stora kraftimpulser i ryggen. Detta måste undvikas.

Att istället använda en gummifjäder som en variabel inneslutning kan man få både en progressiv och manipulativ fjäderkaraktäristika. Om man kan köpa färdiga gummidelar kan man också komma billigt undan. Dock är osäkerheten mycket stor med denna typ av oprövad teknik. För att kunna verifiera resultatet krävs att det provas, i detta fall skulle en prototyp bli aktuell, vilket ej ryms inom ramen för detta projekt, på grund av tidsbrist. Datorsimuleringar kan fungera, men troligtvis är det mer

ekonomiskt att bygga en enkel funktionsmodell.

Ett enkelt alternativ är att ha en stel länk, vilket är en enkel och billig lösning och stolen skulle i så fall kunna säljas som en billig variant.

34 7.3.2 Länksystem

Istället för att låta fjädern förlängas vid inställning av sitthöjden kan man låta den glida längs den undre länken, figur 24. Då kommer länkarna att höjas något. Då den undre tar upp den största lasten kan man tillverka den övre i bockad metall eller komposit för att på bästa sätt motverka och ta upp lateralkrafter i systemet. Inställning av sitthöjd och ändring av stolen för stående körställning sker med hjälp av vred undertill i kopplingen mellan den undre länken och fjädringen.

Figur 24 Länkage

7.3.3 Slaglängd

För att bäst kunna ta upp kraftimpulser behöver kroppen retarderas under så lång väg som möjligt.

Dock sätter konstruktionen sina gränser för vad som är möjligt. En slaglängd på runt 10 cm i

vertikalled bestämdes efter att ha undersökt vad konkurrenter använder sig av. Medellängden ligger något över det valda värdet, men på grund av att många av producenterna nedan vänder sig till professionella kunder och den tänkta produkten främst riktar sig till fritidsmarknaden ställs inte samma höga krav. I tabell 4 ses vilka slaglängder de olika fabrikaten har på sina produkter. (källa:

fabrikörerna)

Tabell 4 slaglängd

Märke Slaglängd (mm)

Stidd systems ~100

Scotseat 150

Coastal pro 100-130 beroende på modell

Vital seating system 73

Offshore seats 195

Shockwave seats 156-203

Ullman dynamics 150-200

35 7.3.4 Spatial analys

Med hjälp av ergonomianalysprogrammet Jack gjordes en datormanikinanalys av det framtagna konceptet. Detta för att få fram optimala dimensioner på de ingående delarna, monteringsavstånd och i stort avgöra om produkten är realiserbar.

Analysen bestod av en manikin av en 5 %-ils kvinna och en 95 %-ils man i tre olika ställningar, sittande, halvstående och stående. Det resulterade i totalt nio analyser, figur 25 och 26. De största begränsningarna bestod av sikten och avståndet till ratten för den sittande kvinnan samt utrymmet för den stående mannen.

Figur 25 simulering med 95 % -ils man

Figur 26 simulering med 5 %-ils kvinna

Minsta möjliga sikt beräknades till 6 grader under horisontallinjen, det var begränsningen för att kunna se fören på båten. 10 grader användes som riktvärde i analyserna.

Analyserna visade på flera problem med produkten. Nåbarheten för mindre individer är begränsad, vid sittande ställning nås ratten, men inte reglage. Även vid upprätt sittställning krävs en betydande flexion av ryggraden för att få full tillgång till reglage. Simuleringen av sikt och nåbarhet med en 5 %-ils kvinna syns i figur 27.

Figur 27 sikt och nåbarhet

Ett annat frågetecken som återstod vad huruvida stativet kom att interferera med benen, vilket syns till vänster i figur 28. Eftersom det är så pass små avstånd det rör sig om, är det svårt att få ett säkert resultat med simuleringar. Än viktigare är hur stor vinkel man som användare har på sina knäleder.

Även huruvida man kommer att kunna gränsla stativets undre del ingick också i frågeställningen. Det förtydligas i figur 29.

Figur 28 Simulering av ståställning

Figur 29 simulering av ståställning

Genom att studera användare när de kört, kunde en kvalificerad gissning göras att man som

användare i regel står ganska bredbent med ganska sträckta ben. För att helt verifiera gångbarheten behövs det göras tester med prototyper.

Analyserna visade även på en klar förbättring på flera områden, främst möjligheterna till att ställa in produkten efter längd. Jämförelse med figur 30 och 31 kan man se en klar förbättring med utrymmet för förarens vänsterknä.

Figur 30 simulering av sittställning

Figur 31 simulering av sittställning

38 7.3.5 Formgivning

I detta kapitel ses lite olika formgivningsalternativ. Allteftersom utvecklades stolen till att bli mer lik den befintliga stå-sittstolen. I figur 32-34 ses olika alternativa formgivningar för produkten relativt tidigt i processen. Främst är det formen av säte och ryggstöd som har ändrats och experimenterats med. I figur 35 ses en tidig skiss på en stol placerad i en mindre öppen modell för att se hur

formgivningen fungerar med den övriga utrustningen, i figur 36 syns en senare version i samma kontext. I figur 37 ses produkten i ett relativt sent skede. Allteftersom arbetet med formgivningen pågick börjades fler av formerna och konstruktionerna från företagets andra produkter att återanvändas, då främst stå-sittstolen. Framförallt är det ramen som återanvänds, dels för att konstruktionen har fungerat bra och dels för att det är en stor del av stolen som gör att man får en kontinuitet i produkterna. Det ska synas att de är från samma tillverkare. Den ska spegla det professionella arvet, men samtidigt ge ett mer fritidsmässigt intryck i större uträckning än idag.

”Vecken” som finns på sitsen i figur 37 är tänkta att föra tankarna till bilstolar och dess komfort.

Sitsen är även tänkt att fungera som en korsning mellan en vanlig sits och ett jockeysäte.

Figur 32 formgivningsförslag

Figur 33 formgivning

Figur 34 Formgivningsförslag

Figur 35 miljöskiss

Figur 36 miljöskiss

Figur 37 produktskiss

42 7.3.6 Konstruktion

Med hjälp av solidmodelleringsprogram kunde reaktionskrafterna i systemet räknas ut, vilket är viktigt för fortsatt arbete och för förståelsen av konstruktionen. Kraften P i figur 38, är ungefärligt ekvivalent för en person på 100 kg i 25 G.

Figur 38 Reaktionskrafter Tabell 5 krafter

Kraft Storlek (N)

P 25000

F1 97500

F2 F1

F3 115000

F4 80800

F5 47100

F6 F5

M1 6160 Nm

Med en axel med radien 15 mm och kraften F3, i leden mellan den undre axeln och basen, nås en maximal spänning på ca 600 MPa, enligt ekvation (5). Motsvande skjuvkraft hamnar på 163 MPa.

Detta förutsätter isotermiska förhållanden utan olikformig vridning och utan axialkrafter.

Beräkningarna förutsätter ren böjning och ren skjuvning. I praktiken blir det en blandning, varpå

ytterligare tester behövs. Det finns en typ av släckglödgat rostfritt stål, 2324-02, som ofta används i propelleraxlar. Det har en sträckgräns på 410 MPa och brottgräns på 590. Den typen kan bli aktuell för en axel. Spänningen fås med ekvation (5).

För den undre länken gjordes en överslagsberäkning för spänningen i balken. Ekvation (4) i (5) och (6) gäller för fyrkantsprofil. För en sådan, med 40x40 mm och 4 mm godstjocklek kommer maximal spänning att ligga runt 1000 MPa, vilket få stål klarar av.

8 Beskrivning av slutgiltigt koncept

Nedan följer beskrivningen och motiveringen på det slutgiltiga konceptet. Den är tänkt att monteras 50 cm bakom skottet (väggen) mätt längs durken (golvet) till centrumlinjen för cylindern i basen. För att hitta optimalt avstånd kan man tillverka en konstruktion där hela stolen kan ställas i längsled, längs en skena eller motsvarande. I förlängningen kan man använda ”skenan” i de produkter som går till kund vilket ger en extra inställningsmöjlighet. En konstruktion som säkert kan bli applicerbar på den befintliga stå-sittstolen.

8.1 Fjädring

I beskrivningen som ges finns en stel länk på den plats som är avsedd för fjädring. Den är beskriven i sin enklaste version, som är tänkt att kunna säljas billigare än en variant med fjädring.

Konstruktionen i övrigt är förberedd för att kunna inhysa en fjädringsmekanism som då enkelt byts ut mot den idag stela länken. Nedan beskrivs alternativ fjädring som konceptförslag.

Att ha en konventionell stötdämpare, sådan som återfinns på bilar, är en enkel och relativt funktionell lösning. Fjädring och dämpning sker med samma mekanism. Produkten är vanlig och billig. Eftersom den sitter på bilars underreden i en mycket tärande miljö torde det inte vara några problem att även använda dessa produkter i en marin miljö. Förslagsvis kan man ha stötdämparen innesluten i två cylindrar vilka glider inuti varandra. Dessa måste kunna låsas mot varandra och sätta stötdämparens funktion ur spel när stolen är i uppfällt läge för att kunna ge stöd vid stående körning.

Ett alternativ till den konventionella stötdämparen är att använda en gummifjäder, vilken man med en variabel inneslutning kan manipulera fjäderkaraktäristikan för att ställa in den efter vikt.

Figur 39 gummifjäder

I figur 39 ses en enkel skiss över konstruktionen för fjädern. Till vänster i bilden syns det nedre fästet vilket sätts fast i basen. Runt den sitter gummifjädern och runt den en cylinder med variabel

diameter. Den regleras förslagsvis med ett vred. Om man kan göra den så tunn att man inte behöver

ha den ledad bör cylindern vara relaxerad i sitt yttre läge, då krafttillförsel behövs för att kunna skruva ihop den. Detta stämmer med rekommendationerna för design av reglage, då medurs skruvande och ökande kraft korresponderar med den tänkta funktionen; att öka styvheten på fjädern. Gummidetaljen är en fjäder vilken ursprungligen är utvecklad som extra fjädring för bilar eller lastbilar som ställer höga krav på lastkapacitet. Företaget som tillverkar dem heter Timbren Industries. Figur 40 visar på fjäderkaraktäristikan för den aktuella fjädern. Maximal kapacitet, F, är ekvivalent med ca 4200 punds och deflektionen, δ, är maximalt 2,25 tum, enligt uppgift från tillverkaren. Den undre linjen är återfjädringen.

Figur 40 Fjäderkaraktäristika

I figur 41 visas ett antagande över inom vilket område fjäderkaraktäristikan kan vara manipulerbar, förutsatt ideala förutsättningar.

Figur 41 Alternativ fjäderkaraktäristika

Ett alternativ till den föreslagna detaljen kan vara att stansa ut lameller, av lämpligt material, exempelvis silikon, och stapla dem på varandra.

Även om det i teorin kan fungera finns det flera problem med konstruktionen. Då cylindern i sin enkla form fästes på ena sidan i bottendelen, kommer dess centrum att förskjutas när man skruvar in den.

Därför kommer gummit att ta emot ena sidan före den andra när den trycks ihop. Detta medför en

snedbelastning, vilket tydligare syns i figur 42. Då stabiliteten förutsätter att två stänger glider inuti varandra måste man se till att den snedbelastning som uppkommer inte gör att stängerna låser sig.

Även eventuella skjuvkrafter kan ha betydelse för hållfastheten.

Figur 42 Genomskärning av gummifjäder med kraftpilar

Gummi har en viss hysteres, energibortfall, som Ciesielski (2001) skriver om. Det syns tydligt i figur 40 som visar fjäderkaraktäristikan, den undre linjen visar återfjädringen. Under vissa frekvenser är den särskilt stor. Troligtvis måste gummit kompletteras med en dämpare. Förslagsvis sker det med en vriddämpare i någon av lederna, förslagsvis mellan övre länken och basen. Ett alternativ är att tillverka en egen, vilken är likt en bandbroms. Denna är placerad runt axeln i navet mellan övre länken och basen. I enda änden är den fäst i en vanlig dragfjäder, i andra fast inspänd i en gänga vilken man kan justera med ett vred för lämplig dämpning. Fördelen är att man får en justerbar dämpning. Nackdelen är de uppenbara, då det är helt en teoretisk konstruktion; för att kunna verifiera funktion krävs mer arbete och framförallt prototyptester, figur 43.

Figur 43 Navbroms

8.2 Bas/stativ

Figur 44 Övre länk

I figur 44 ses den övre länken i fyrlänksystemet. Den är bred för att ge god vridstyvhet och stabilitet till konstruktionen i lateralled. De utskurna delarna upptill är för att dels minska vikten, dels minska ytan som kan stråla ljud. Den tillverkas genom bockning av en utskuren skiva., förslagsvis i stål. Ett alternativ kan vara att tillverka den i aluminium, om den klarar hållfasthetskraven,för att spara vikt.

Det kan också vara en estetisk detalj, att aluminiumet utstrålar lite mer exklusivitet, då stolen ska vända sig lite mer mot fritidsmarknaden än tidigare. Företagets nya båt, Ruptech, är en exklusiv båt vars stolar innehåller mestadels borstad aluminium. Aluminium kan vara en flört åt det hållet.

Figur 45 undre länk

I figur 45 ses den undre länken i fyrlänksystemet, en vanlig fyrkantsprofil. Tillverkas i stål för bästa hållfasthet.

Figur 46 bas

I figur 46 ses basen i konstruktionen. Den tillverkas av rundprofilen som svetsas fast mot en bottenplatta. Övriga detaljer svetsas också.

Figur 47 fjäderlänk

I figur 47 syns fjädringslänken, som i det är fallet utgörs av en stel länk. En fyrkantsprofil är fästs i låsningen med skruvförband.

Figur 48 sitsskivor

Detaljerna ovan i figur 48 är skivorna som fästs under sitsen och möjliggör inställning i längdled.

Bockade kanter med försänkta skruvhål undertill. Likt den övre länken kan man överväga aluminium som material för att få ett annat uttryck på produkten. Det är detaljer som inte finns i det

omedelbara blickfånget men som ändå tydligt syns.

Figur 49 Spärr

I figur 49 syns spärren som håller fast sitsen. Den behöver kompletteras med ett handtag och en fjäder för att hålla den på plats. Handtaget bör har lite mer än 6 cm frigång eller utrymme inåt för att fingrarna inte ska hindras. Kompletteras med en enkel fjäder.

Utöver detaljerna som visas ovan behövs en axel mellan den övre länken och basen med lämplig lagring. Förslagsvis i metall som klarar höga laster. Övriga leder gäller samma sak.

Vredet till den undre länken, som ställer höjden på stolen, bör enligt rekommendationerna i kaptitel 3.3.1 ha en diameter mellan 25-76 mm och en mönstrad yta, då det är en kontroll som kräver kraft framför precision.

8.3 Ryggstödsramen

Figur 50 ram Figur 51 ram-bas

Ramen till ryggstödet, figur 50, är i princip samma konstruktion som på den befintliga stå-sittstolen.

Det är en konstruktion som har fungerat väl och passar in formmässigt i produkternas övriga linje.

Man får även en kontinuitet i formgivningen genom att återanvända former och detaljer. Man ska ha en hög igenkänningsfaktor. Konstruktionen är av enkla rörprofiler i stål. Lateralstöden kläs med vaddering för att både se och kännas mer komfortabla. Ramens bas, figur 51, är mycket lik den som finns på dagens stå-sittstol.

8.4 Dynor

Figur 52 sits

Sitsen skruvas ihop med skivorna som ska glida längs ramens bas. Den tillverkas med 1 cm hård skum i botten, och 4 cm medelmjuk stoppning ovanpå, enligt rekommendation för komfort i Eklund (1986).

Den kläs med det läderliknande material som idag används på jockeysätena. Den är rundad i framkant, en s.k. waterfall front, för att inte skapa tryck på känsliga ställen. ”vecken” som sys i klädseln ska föra tankarna till bilstolar och deras komfort, figur 52.

Figur 53 Ryggstöd

Ryggstödet har svankstöd och övre delen lutar ca 15 grader, likt rekommendationerna i Eklund (1986). Klädseln är samma som sitsen, stoppningen är förslagsvis liknande den som finns på dagens stol, ca 3 cm av medelhård stoppning. Formgivningen går med företagets övriga produkter, raka linjer och små radier. Fasningen i överkant påminner om targabågarna på vissa av de större modellerna som har liknande fasning. Ryggstödet syns i figur 53.

8.5 Bilder

I figur 54 syns en detaljerad bild på hela produkten. Figur 55-57 är en rendering på den slutgiltiga produkten.

Figur 54 datormodell i ett sent skede Figur 55 Rendering av det färdiga konceptet

Figur 56 Detaljrendering av det färdiga konceptet Figur 57 Rendering av det färdiga konceptet

9 Diskussion

Att utveckla bra och fungerande miljöer ombord på mindre snabba båtar är en mycket viktig utveckling för hela branschen. Den väldigt eftersatta arbetsmiljön ombord är i behov av förändring.

Förhoppningsvis kan detta arbete leda till fortsatt aktivt arbete med människans miljö ombord och i förlängningen leda till att stärka företagets position på marknaden.

Arbetet i sig har varit mycket stimulerande och har innefattat många ämnesområden som kan tänkas bli aktuella i ett examensarbete för teknisk design. I det gäller konstruktion, formgivning, ergonomi med mera. Allt arbete har i princip skett på egen hand på plats i företagets lokaler. Det har hela tiden funnits närhet till kunskap och produkter att studera. Att arbeta ensam har naturligtvis sina

uppenbara fördelar, genom att beslut lätt kan tas. Att göra det i par hade nu i efterhand varit att föredra, då det hade gjort jobbet betydligt mer stimulerande och dynamiskt då man kan ha ett ständigt bollplank och stöttning. Att kunna bolla sina idéer med vitt skilda kompetenser som jag har kunnat, har naturligtvis varit mycket värdefullt och utvecklande. I det ingår företagets samlade kunskap om praktiskt tekniskt arbete, den till företaget knutna designfirman som kan ge bra återkoppling, inte bara på produkten, utan även processen, skolans handledare som snabbt kan ge råd vid vägval och svåra frågeställningar och slutligen, vänner och familj, som har bidragit med lite av varje.

Det svåra i arbetet har varit, att som oerfaren, kunna göra rimliga antaganden av hur de tänkta lösningarna, både på delnivå och i sin helhet, i verkligen kommer att fungera. Även vissa av kraven i kravspecifikationen kan diskuteras om de är rimligt satta. Ett vidare resonemang förs om det under Rekommendation. Kravet på att stolen skulle vara fjädrande var ett av grundkraven. Dock var det problemet betydligt mer komplext än väntat, vilket gjorde att kravet ändrades till att stolen skulle kunna vara förberedd för en fjädring. Även ett önskemål om att kunna sälja produkten utan fjädring framkom efter en tid.

Metoderna för arbetet har överlag fungerat bra och har varit applicerbara. Informationsinsamling och förstudie kan man fundera över om man skulle ha använt sig av en mer strukturerad form, det vill säga strukturerade intervjuer och bredare undersökningar. Men i efterhand kan man ändå konstatera att det inte har framkommit något under hela projektet, som tyder på att

problemformuleringen skulle varit felaktig. Mycket av det kreativa arbetet kan lätt bli svårt när man jobbar själv, då många av idéerna uppstår i möten och i diskussioner. I efterhand kan man tycka att man skulle ha sökt mer möten och diskussioner. Möten med externa personer, utanför

projektgruppen, kräver ofta en mer strukturerad ordning då mötestiden i regel är begränsad. De möten som hades på detta sätt var i sig mycket givande. Dock hade fler förutsättningslösa diskussioner, ”bollplank”, säkert givit många bra idéer. Konceptval och utvärdering av dessa kom relativt tidigt i processen. Om det var omotiverat tidigt är svårt att säga. Anledningen till det var främst att det var sådan omfattning på projektet att det krävdes att man i ett tidigt skede kunde välja riktning. Inte någonstans under projektets gång har det valda konceptet känts fel eller att

utvärderingen har varit felaktig.

De skrivna källorna på området ergonomi till sjöss har varit begränsade. Dock har

problembestämningen och analyserna varit tydliga och konkreta hela vägen genom projektet.

Grundproblemet är väldigt enkelt och konkret. Resultatet uppfyller tillräckligt väl de punkter som ställdes på den i kravspecifikationen. Det är en ny typ av produkt som passar väl in i produktlinjen

som finns. Det finns många punkter som måste testas för att kunna verifieras. Ett exempel på detta är driftsäkerheten och underhållsfriheten.

In document Utveckling av en ny typ av båtstål åt Rupert Marine AB (Page 41-75)