Beskrivning av hur metodiken tillämpades, från projektets början till målgång.
Konceptutveckling och utveckling på systemnivå
Vid projektets början formuleras tre koncept till hjullösningen. Dessa är:
1. Fälgarna görs i två delar. Fälgen låser fast däcket vid isättning. Kåporna är solida
sånär på håligheter som lämnas för fackverk.
2. Vanlig fälg, svetsa fast kuggar på insidan: Däck i solitt gummi.
3. Fackverket är en del av fastsättningen som kopplar ihop hjulet med ramen. Bildar
således ett ”skelett” som resten av komponenterna monteras på.
Koncept 1 tog ca en vecka att färdigställa, olika fackverk som ska platsa i kåpans hålighet testas genom simulering, se bilaga 2. När koncept 1 är färdigt i CAD har teamet en diskussion och
bestämmer att det är koncept 3 som ska tas vidare, eftersom det är den konstruktionen som mest liknar den på bilar och flygplan- ett skelett som kläs med tekniska komponenter och täcks av kåpor eller chassi. Beslutet grundade sig på forskning som handledaren gjort separat från författarens arbete. Handledaren kommer i samband med detta med nya direktiv om design och utformning. Målvärden ändras dock inte. För att förklara detta kan sägas att beslut om konceptval inte alltid faller genom organiserade test eller genom multiröstning. I detta fall var det för att ett av koncepten nu framstod som mycket bättre, i skenet av nytillkommen information. Denna information bestod i studier av hur andra fordon är utformade.
Koncept 3 innehåller många funktionella element och därmed många fysiska element. Alla dessa skulle nu definieras där förslag på lösningar skissades upp. Under en iterativ process där
konstruktionen av varje komponent diskuterades med handledaren växte konceptet fram till en CAD- assembly. Under denna konstruktionsprocess tillämpades teori om konstruktionslära och mekanik för att fatta hållbara beslut. De funktionella elementen testades digitalt i en Motion Analysis.
Hjulets koncept är i sig en integrerad produktarkitektur eftersom samtliga komponenter är särskilt utvecklade med hänsyn till angränsande komponenter och till detta specifika ändamål. Samtidigt är det även en modulär arkitektur eftersom både fram- och bakhjul är konstruerade precis likadant och lätt går att byta ut mot varandra.
Kontakt med företag
Ett antal företag har kontaktats i syfte att beställa delar till prototypen. Delarna beställdes antingen efter att ha valts ut i SolidWorks Toolbox, eller efter att ha valts ut på företagets hemsida. I det första fallet var det inte garanterat att delen som funnits i SolidWorks faktiskt går att tillverka i verkligheten. Företaget som kontaktats kommer då med krav på vilka mått komponenten måste ha för att det ska fungera. Utifrån denna nya information behövde då författaren tänka om i vissa delar av
konstruktionens måttsättning. Detta gällde främst kugghjul och kullager. Detta blev väldigt styrande i designen och den huvudsakliga anledningen till att designbesluten fattades som de gjorde. Designen fick anpassas efter bästa tillgängliga komponent.
Att bestämma hjulets dimensioner
Vid början av arbetet antogs några mått som bestämda och som resten av designen skulle utgå ifrån. Ganska snart stod det dock klart att måtten som anges på cykelhjul kan ha fler än en betydelse. Ett däck på 27 tum kan ha olika diameter beroende på om den ska sitta på en mountainbike eller en stadscykel. Detta blev belyst först en bra bit in i designprocessen, varpå ett beslut fattades om att precis en typ av däck skulle användas där måtten på däckets innerdiameter fick bli det styrande måttet som resten av hjulets design fick utgå från. Ytterligare ett steg i denna riktning var att beställa en fälg och ett däck som får bli det som designen ska utgå från. Denna köptes till företagets verkstad där författaren själv fick ta alla nödvändiga mått för att använda till sitt konstruktionsarbete.
26
Simulering av bärande konstruktion
SolidWorks Simulation används för att simulera spänningar som uppkommer i
fackverkskonstruktionen. Lasten placeras i innerväggarna för hålen där kullageraxeln sitter, eftersom det är där konstrukionen kommer i kontakt med underlaget. Kullagret är fäst på bägge sidor av fackverkssidorna och trycker mot ett spår som sitter mot fälgen, vilket i sin tur sitter ihop med däcket, som trycker mot marken. Soliden är fixerat i väggarna av hålen där konstruktionen är fäst med angränsande komponenter. Testerna gjordes med last placerat vid alla tre kullager, samt med last vid endast ett kullager. Detta eftersom lasten i verkligheten inte kommer att falla på alla tre platser samtidigt, utan endast på en i taget. Hypotesen var att spänningarna skulle te sig annorlunda med last på en punkt än med lasten jämnt fördelad. Testet gjordes med 3mm och 5mm tjocka väggar, eftersom 3mm endast kommer att användas om materialet håller för det.
Nya mer exakta simulationer görs där båda fackverken samt dess sammanbindande vägg och kullageraxlar inkluderas. I simulationerna som figur 11 illustrerar testades hur fackverken reagerade på last där kullageraxeln är placerad, både på alla fästen samtidigt och på ett i taget. Fixering gjordes där fackverket är monterat ihop med innerväggen. Syftet med testet var att undersöka den enskilda väggen.
Vidare undersökning görs för bägge fackverksväggar tillsammans med den mellansittande väggen samt kullageraxlarna, som kommer att bära lasten. För att simulera hur lasten placeras på cykeln i användning görs en friläggning på papper vilken sedan överförs till två uppställningar, se figur 12. Röd pil symboliserar last medan grön pil symboliserar normalkraft som lasten resulterar i.
Friläggningen är förenklad genom att lasten placeras med lika stor kraft på bägge hjul, medan lasten i verkligheten utgår från sadeln, där föraren sitter, och fördelas mellan de två hjulen. Ytterligare en Figur 11 Last (vänster) och randvillkor (höger) placerat på solid. Last 2500N per fäste, totalt 7500N (eget
27
förenkling är att momentverkan vid hjulens fästen i detta fall bortses. Figur 13 visar hur denna friläggning översattes till en simulationsuppställning.
Figur 12 Enkel friläggning av lastfördelning på cykelns hjul (eget arbete, 2021)
28
Materialtestning
De material som författaren hade tillgång till, vilka var kolfiber samt kolfiberförstärkt nylon, testades i en dragprovsmaskin på MDH. På grund av kolfiberns glatta och hårda yta var den mycket svår att genomföra dragprov på, vilket ledde till att den första provbiten blev förstörd vid installation i
maskinen och kunde därför inte testas. De testresultat som presenteras är därför de av två kolfiberbitar och tre bitar av kolfiberförstärkt nylon. För att kunna testa kolfibern behövde den med två stift i vardera änden fästas i klossar av polyuretan. Detta för att inte kolfibern ska ha kontakt med ytorna som klämmer åt provbiten eftersom den ytan är för glatt. För att ytterligare öka friktionen lades ett lager sandpapper mellan kolfibern och polyuretanet. På grund av komplikation med
dragprovsmaskinen kunde inte sträckgränsen utläsas. Detta berodde på armarna som är inringade i rött i figur 14 inte finges att fungera riktigt. I normala fall känner armarna av när detaljen deformeras plastiskt och dras därefter bort, vilket även syns i provkurvan som testet resulterat i. Eftersom detta inte fungerade som önskat kunde bara brottgränsen av materialet utläsas. Figur 15 visar hur brotten blev på de båda materialen.
29
Figur 15 Brott på kolfiber (vänster) och kolfiberförstärkt nylon (höger)
Prototypbygge
Under arbetet tillverkas två prototyper; en skummodell som används för att bedöma hjulets dimensioner samt en funktionell prototyp för att bedöma varje komponents storlek, hur väl de fungerar med varandra samt hur drivlinan fungerar, se figur 16.
Skummodellen tillverkas av polyreutanskum på MHD:s verkstad. Modellen replikerade inte mekaniken som författaren konstruerat, utan storleken på kåpan som ska innesluta sagda mekanik. Storleken beror helt på hur väl alla tekniska komponenter passats in i det avsedda utrymmet, i den integrerade produktarkitekturen.
30
Den funktionella prototypen görs i PLA med additiv tillverkning samt i trä där delarna fräses ut. Materialen var inte de som är planerade att användas i slutprodukten, men produktsionsmetoden var det. Prototypen tillverkas för att göra ett test gällande rotation och montering, samt för att se om de designade och utvalda komponenterna var kompatibla med varandra.
Prototyptestning
Skummodellen av hjulen testas genom att monteras ihop med resten av cykeln där helheten bedöms i avseende på dimension och form. Om något skulle se tokigt ut görs korrigeringar innan en ny förbättrad modell tillverkas. I detta fall såg allting bra ut, vilket ledde till att dimensionerna blev bekräftade som rimliga och utvecklingen kunde gå vidare.
Funktionsprototypen som testades bestod av den bärande konstruktionens ena sida som visades i figur 11, väggen som ska förbinda de två bärande konstruktionerna, innerkugg, motor med fäste samt drivande kugghjul. I testet prövades olika spänningar på motorn. Drivande kugghjul var monterat på motorns axel och drev hjulet. Alla komponenter som berördes av rotationen iakttogs noga. Resultatet av testet analyserades gemensamt av utvecklingsteamet.
Analys av prototyptestning
Det var även första gången många av hjulets delar blev tillverkade i verkligheten. I samband med monteringen upptäcktes några brister i konstruktionen vilket försvårade montage samt var mycket ömtåligt, fast det inte hade märkts i simuleringarna. Det noterades även att ett fäste inte var fullt så kompatibelt med motorn som önskat. Ytterligare noteringar var att innerkuggen behövde tillverkas annorlunda, samt att innervägg och motor behövde justeras i placering.
31
6. RESULTAT
Här presenteras resultaten av kraftsimuleringarna som presenterades i förra kapitlet samt de mekaniska uträkningarna som ledde fram till valet av motor. Slutligen visas en del av den färdiga konstruktionen upp tillsammans med en redogörelse för vilka komponenter som där ingår samt hur dessa ska tillverkas och i vilket material.
Resultat av simulation
Simulationerna görs i två omgångar, en för att undersöka den enskilda väggen och en för att undersöka sammanställningen av de två fackverken med den sammanhållande väggen samt kullageraxlar.
6.1.1. Del 1, simulering av en sida av fackverket
Spänningarna är som störst i området runt kullagrets fäste. Med 5mm tjocka väggar är spänningarna av rimlig storlek, medan de med 3mm skulle kräva ett väldigt starkt material. Se tabell 8 för högsta uppmätta spänning för respektive test samt bilaga 4 för bilder från simuleringarna. Last pålagd är 1500N.
Tabell 9 Högsta spänning uppmätt under simulering
Figur 17 Spänningsdrabbat område och justeringar i designen för att göra området starkare (eget arbete, 2021)
Som syns till vänster i figur 17 var ett visst område särskilt drabbat av spänningar. Högst spänning uppnåddes vid samtliga mätningar på ungefär samma ställe, antingen i botten av triangeln eller i
Tjocklek Belastning på ett av fästena Belastning på samtliga fästen
3mm 183,7 MPa 217,9 MPa
3mm korrigerad 85,2 MPa
32
någon av hålen under triangeln. Till höger i figuren illustreras hur detta åtgärdades genom förstärkning i materialet vid dessa utsatta områden.
Spänningen lade sig vid denna simulering på ett nytt ställe, se bilaga 4, i en lägre koncentration på endast 85,2 MPa. Detta får ses som en kraftfull förändring.
6.1.2. Del 2, simulering av sammanställd konstruktion
Last applicerad är 1470 N vilket motsvarar 150kg.
Tabell 10 Högsta spänning uppmätt under simulering av bägge fackverk
Figur 18 Simulering av sammanställning med fixering där lasten är placerad och kraft pålagd där normalkraften verkar (eget arbete, 2021)
Störst spänning mäts till 343,8 MPa. Justeringar görs liknande de i figur 17 för att lägga på mer material i utsatta områden, se bilaga 5, vilket sänker spänningarna till 238,54 MPa. Väggarnas tjocklek ökas till 5mm, vilket ger det mycket bättre resultatet 182,5 MPa, se figur 18. Bilder på samtliga simulationer återfinns i bilaga 6.
Tjocklek Högsta uppkommen spänning
3mm 343,8 MPa
3mm med justeringar 238,4 MPa 5mm med samma justeringar 182,5 MPa
33
Mekaniska uträkningar
Varvtalet för det drivande kugghjulet beräknas till 4421 rpm. Fullständiga uträkningar återfinns i bilaga 7. Detta värde jämförs nu med de nominella varvtalen från de olika alternativen på motorer, vilka var:
Motor A: 8230 rpm Motor B: 3270 rpm Motor C: 5170 rpm
Motor A är mycket starkare än vad som efterfrågas och passar inte alls in i designen. Den har axlar utstickande på båda sidor och möjliggör två rader av kugghjul. Detta är dock inte efterfrågat och bedöms bidra med mer tekniska svårigheter än fördelar, vilket sammantaget gör att motor A väljs bort.
Motor B passar bra som fysiskt element på grund av sina dimensioner men är inte tillräckligt stark, eftersom dess nominella varvtal är lägre än vad det drivande kugghjulet, som sitter på motorns axel, behöver uppgå i för att hjulet ska uppnå en periferihastighet på 25km/h.
Motor C fungerar bra designmässigt på grund av sina dimensioner och har något högre nominellt varvtal än vad som krävs. Detta är det bästa alternativet och väljs därför.
Naturligtvis tillkommer förluster och yttre påverkan från last som här inte är inräknad. Som nämnt i avgränsningar i avsnitt 1.6 är moment inte inräknat, vilket gör att valet av motor behöver ses över ytterligare. Valet av motor C är ett bra val baserat på tillgängliga data och godkänns av resterande i utvecklingsteamet.
34
Konstruktion
I detta avsnitt presenteras en del av det slutliga resultatet. På grund av sekretesskäl får endast en del av konstruktionen visas. Komponenter som är synliga i figur 19 presenteras i listform nedan.
• Två fackverkssidor, även kallat bärande konstruktion eller fackverk
• Vägg som förbinder de två fackverken
• Innerkugg**
• Spårkullager** med spår
• Axel för spårkullager
• Fälg*
• Däck*
Figur 19 Del av färdig konstruktion (eget arbete, 2021)
Andra komponenter som av sekretesskäl inte får visas upp men som är konstruerade av författaren är:
• Fäste för elmotor
• Elmotor**
• Komponent mellan innerkugg, lagerspår och fälg
• Drivande kugghjul**
• Fäste för spårkullager
• Fästen för angränsande komponenter
*= givna komponenter som resten av konstruktionen utgår från **= Ej konstruerad av författaren men utvald av denne
35
Materialval och produktionsmetod
Till fackverken är kolfiber eller stål de bästa tänkbara alternativen. Kolfibern med sin brottgräns av 586 MPa och låga densitet ger en lätt och hållbar konstruktion, vilket ger en marginal på 403,5 MPa mot spänningen som uppkom i simulationen med 5mm tjocka väggar. Med ett starkt stål är det möjligt att få en större säkerhetsmarginal, men med konsekvensen att konstruktionen blir väldigt tung.
Beslutet faller ändå på kolfiber som tas vidare till mer omfattande materialtester. Fackverken fräses ut från kolfiberplattor. Till väggen som sammanbinder fackverken väljs kolfiberförstärkt nylon, eftersom komponenten som högst uppvisar spänning av 2,8 MPa och därför inte behöver ha ett starkare
material. Kolfiberförstärkt nylon är mycket lämpligt för additiv tillverkning, vilket är den planerade produktionsmetoden för komponenten. Kullageraxlarna kommer tillverkas av stål där de skärs i lagom långa bitar av en stålstång. Samtliga kugghjul tillverkas genom att fräsas ut ur nylonblock. Övriga komponenter tillverkas av kolfiberförstärkt nylon genom additiv tillverkning.
36