Akademin för Innovation, Design och Teknik
Konstruktion av fackverk och
drivlina i ett navlöst hjul
Designprocess med jämförelse av metoder
Examensarbete
Grundnivå, 15 hp
Produkt- och processutveckling
ELSA OTTOSSON
Handledare, företag: Henrik Jensen
Handledare, Mälardalens högskola: Christopher Gustafsson Examinator: Janne Carlsson och Mikael Johnsson
SAMMANFATTNING
Detta arbete är utfört inom ramarna för kursen PPU305 vid Mälardalens högskola och är ett examensarbete på högskoleingenjörsnivå. Ett företag som arbetade med utvecklingen av en elcykel föreslog ett koncept av ett innovativt hjul helt utan ekrar eller nav. Detta innebar att funktionerna som dessa komponenter fyllde behövde lösas på annat sätt. Metoden för detta produktutvecklingsprojekt är en kombination av den generiska produktutvecklingsprocessen, Design thinking samt metoden som användes vid företaget. Författaren hade inledningsvis intentionen att enkom arbeta med den
generiska metoden, men upptäckte att detta inte var helt kompatibelt med metoden som användes vid företaget. Detta ledde till en ändring av metodik. Med detta som bakgrund formulerades två
forskningsfrågor:
• Hur kan drivlinan konstrueras för att passa in i den tänkta designen för ett elcykelhjul? • Hur fungerar utvecklingsprocessen för elcykeln och dess hjul i det aktuella företaget, jämfört
med andra produktutvecklingsprocesser?
Resultatet blev en fackverkskonstruktion som ersätter ekrarnas bärande funktion. Fackverket är omsorgsfullt designat för att optimera balansen mellan låg vikt och styrka. Fackverket är uppdelat i två lika sidor och tar upp dynamisk last som hjulet utsätts för under färd. Materialval för denna konstruktion är kolfiber på grund av sin låga densitet och höga styrka. Detta arbete inkluderar konstruktion av alla cykelhjulets komponenter som sitter mellan dessa fackverksväggar. Författaren har även valt ut en motor, rullningslager och kugghjul lämpliga för konstruktionen, samt designat fästen och nödvändiga fixturer för samtliga komponenter.
Under designarbetet med fackverksväggarna gjordes åtskilliga iterationer av kraftsimulationer i SolidWorks Simulation och designmodifieringar i syfte att säkerställa en så stark konstruktion som möjligt. Resultaten av kraftsimuleringarna kan inte till fullo återspegla verkliga lastförhållanden, men det kan ge en grundläggande bild av hur konstruktionen reagerar på last. För att säkerställa att det valda materialet lever upp till förväntningarna beställdes materialet från avsedd leverantör och testades i en dragprovsmaskin. Detta gav mer precisa materialdata än vad den huvudsakliga källan för materialdata, Granta EduPack, kunde ge. Gällande utvecklingsprocessen vid företaget befanns att den både har stora skillnader och likheter med den generiska produktutvecklingsprocessen och Design thinking. Den största skillnaden mot bägge metoder är upplägget av den kortsiktiga planeringen. Mest påminde företagets metod om Design thinking, då de båda bygger på agil ledning och kreativt
tänkande med iterativa processer.
Nyckelord: Konstruktion, innovation, cykelhjul, hållbar miljö, materialval, mekanik, produktdesign, prototypframtagning
ABSTRACT
This paper is a part of the course PPU305 at Mälardalen University, the bachelor thesis. A company currently developing an electric bicycle had a concept of an innovative wheel containing no spokes and no hub. This meant that the functions these components usually fill needed to be solved in another way. The method for this product development process has been a combination of the generical method, design thinking and the method used at the company. While the author was planning on working with the generical method but soon became aware of the completely different method by the company, a more flexible method was adapted.
With this background, two research questions were formulated:
RQ 1: How can the driveline be constructed to fit with the planned design in an electric bicycle wheel?
RQ 2: How does the development process work for the electric bicycle and its wheel in the company in question, compared to other product development processes?
The result was a framework carefully designed to be made of as little material as possible but still be strong enough. This framework has two sides and is what mainly holds up the construction and makes it resistant to dynamic loads. Material selected for this construction is carbon fibre due to its low density and high tensile strength. This work includes every part of the bicycle’s wheel including the skeleton framework mentioned above and everything between the two walls. The author has selected motor, bearings and spur gears suitable for the vehicle and made mounts and necessary fixtures for all.
To decide that the framework was designed as efficiently as possible, several simulations in
SolidWorks Simulation were made where different designs were compared against each other. Every adjustment in the designed were direct results of the simulations. Although the simulations cannot fully replace a physical test, it gives an idea of how well the construction reacts to loads. To make sure that the material selected would stand the loads as expected, the material in question was ordered from planned deliverer and tested in a tensile test machine. This gave more accurate data regarding the material properties that data collected from Granta Edupack, a material database. About the development process at the company, it was discovered that it has both similarities and differences to the generic product development process and Design thinking. The biggest difference with the both processes was the short-termed planning. The process most similar with the one used at the company was Design thinking since they both depend on agility and creative thinking with iterative processes. Keywords: construction, innovation, bicycle wheel, sustainable environment, material selection, mechanics, product design, prototyping
FÖRORD
Jag vill först säga att detta har varit ett mycket roligt och lärorikt arbete som jag gladeligen skulle göra igen. Ett stort tack riktas till Henrik Jensen som har varit min handledare på företagets sida. Tack för ditt tålamod och din stöttning. Jag vill även tacka Sunny Narula på företaget för dina råd om rapporten och prototyptillverkningen.
Slutligen tackar jag Christopher Gustafsson som guidat mig fram med rapportskrivandet och lärt mig att vetenskapligt skrivande faktiskt inte är så farligt.
Elsa Ottosson Eskilstuna, maj 2021
Innehållsförteckning
1. INLEDNING ... 1
Bakgrund ... 1
Problemformulering ... 2
Syfte och frågeställningar ... 2
Mål ... 2
Avgränsningar ... 2
2. ANSATS OCH METOD ... 3
Arbetsprocessen ... 3
Fallstudie ... 5
Metod för produktutveckling ... 6
Olika typer av prototyper ... 8
Prototyptestning ... 9 Kvalitetssäkring ... 10 3. TEORETISK REFERENSRAM ... 11 Cykelhjulets uppbyggnad ... 11 Konstruktion ... 13 Mekanik ... 14 Elcykeln ... 15 FEM-analys ... 15 Materialtester ... 16 Material ... 17
Produktionsmetoder; nära färdig form ... 19
Innovationer och osäkerhetshorisonten ... 19
Varianter av produktutvecklingsprocesser ... 20
4. EMPIRI ... 22
Målspecifikationer ... 22
Information om mekaniken som tillkom under arbetes gång ... 22
Aktuellt läge på företaget ... 23
Materialtester resultat ... 24
5. GENOMFÖRANDE ... 25
Konceptutveckling och utveckling på systemnivå ... 25
Kontakt med företag ... 25
Att bestämma hjulets dimensioner ... 25
Simulering av bärande konstruktion ... 26
Materialtestning ... 28
Prototyptestning ... 30 Analys av prototyptestning ... 30 6. RESULTAT ... 31 Resultat av simulation ... 31 Mekaniska uträkningar ... 33 Konstruktion ... 34
Materialval och produktionsmetod ... 35
7. ANALYS OCH DISKUSSION ... 36
Analys av resultatet baserat på simulationer ... 36
Analys av målsättningen med att ersätta ekrar ... 36
Diskussion kring navlösa hjul, varför brukar de inte slå igenom? ... 36
Diskussion kring metoden ... 37
Diskussion om kvalitetssäkring ... 38
8. SLUTSATSER OCH REKOMMENDATIONER ... 39
Besvarande av frågeställningarna ... 39
Slutsatser ... 39
Rekommendationer för vidare forskning ... 39
KÄLLFÖRTECKNING ... 41 BILAGOR ... I Bilaga 2: Test av fackverk, samtliga belastade med 15kN ... II Bilaga 3: Dragprov resultat ... IV Bilaga 5: Justeringar på fackverkssidorna ... IX Bilaga 6: Resultat av korrigerade sidor med 3mm tjocklek ... X Bilaga 7: Mekaniska uträkningar ... XI
Tabell- och figurförteckning
Tabell 1 För- och nackdelar med olika digital och fysisk prototyptestning ... 9
Tabell 2 Beteckningar ... 14
Tabell 3 Material- och miljömässiga egenskaper för aluminium ... 17
Tabell 4 Material- och miljömässiga egenskaper för stål ... 17
Tabell 5 Material- och miljömässiga egenskaper för kolfiber ... 18
Tabell 6 Material- och miljömässiga egenskaper för kolfiberförstärkt nylon ... 18
Tabell 7Material- och miljömässiga egenskaper för komposit A ... 18
Tabell 8 Målspecifikationer ... 22
Tabell 9 Högsta spänning uppmätt under simulering ... 31
Tabell 10 Högsta spänning uppmätt under simulering av bägge fackverk ... 32
Figur 1 Tankekarta över projektet som helhet och vilken del som skulle beröra detta examensarbete (eget arbete, 2021) ... 3
Figur 2 Grafisk beskrivning av arbetsgången (eget arbete, 2021) ... 4
Figur 3 Lastfall av det traditionella cykelhjulet (Brandt, 1993) ... 11
Figur 4 A: Sam Pierce's Loopwheel (Crilly & Morosanu Firth, 2019) B: Softwheel (2020), C: Lew's navlösa hjul (1993) D: Navlöst hjul av Mopare et al (2018), E: Franco Sbarros navlösa hjul (Calvet, 2020), F: Navlöst hjul av Sotola et al (2018) ... 12
Figur 5 Kullagrets placering i en ekrad cykel (Monark, 2021) ... 15
Figur 6 Olika mesh-täthet på en solid. Soliden till höger har genomgått en kraftsimulering och visar var spänningar uppstår (eget arbete, 2021) ... 16
Figur 7 Osäkerhetshorisonenten, översatt enligt Ulrich & Eppinger (2014) (eget arbete, 2021) ... 19
Figur 8 Produktutvecklingsprocessen (eget arbete, 2021) ... 20
Figur 9 Design thinking (Center for innovation in teaching & learning , 2021) ... 21
Figur 10 Motor A, B och C presenterade från vänster till höger (eget arbete, 2021) ... 22
Figur 11 Last (vänster) och randvillkor (höger) placerat på solid. Last 2500N per fäste, totalt 7500N (eget arbete, 2021) ... 26
Figur 12 Enkel friläggning av lastfördelning på cykelns hjul (eget arbete, 2021) ... 27
Figur 13 Laster (rosa) och randvillkor (grön) baserat på friläggningen av cykelns framhjul (eget arbete, 2021) ... 27
Figur 14 Dragprov av kolfibern med sandpapper och polyuretan för att öka friktionen ... 28
Figur 15 Brott på kolfiber (vänster) och kolfiberförstärkt nylon (höger) ... 29
Figur 16 Skummodell av hjulets utsida ... 29
Figur 17 Spänningsdrabbat område och justeringar i designen för att göra området starkare (eget arbete, 2021) ... 31
Figur 18 Simulering av sammanställning med fixering där lasten är placerad och kraft pålagd där normalkraften verkar (eget arbete, 2021) ... 32
Figur 19 Del av färdig konstruktion (eget arbete, 2021) ... 34
Figur 20 Visualisering av hur de två processerna har använts. Den övre raden står för den generiska produktutvecklingsprocessen (G) och den undre för Design thinking (D) (eget arbete, 2021) ... 37
1
1. INLEDNING
Detta inledande kapitel kommer att redogöra projektets bakgrund och förklara varför just detta arbete är nödvändigt. Avslutningsvis presenteras arbetets frågeställningar och målformulering.
Bakgrund
Detta arbete är en del av ett produktutvecklingsprojekt vid ett nystartat företag. Detta företag
utvecklar nya innovationer med miljötänk i fokus. Företagets hittills största projekt är en elcykel, som är anledningen till att denna rapport kom till. Projektet befann sig vid arbetets inledning i början av fas två i produktutvecklingsprocessen, vilket innebär att konceptet är formulerat och att nästa steg är utveckling av tekniska funktioner. Arbetet som här presenteras är en del av
produktutvecklingsprocessen för cykelns hjul. Hjulet är inte designat som ett traditionellt cykelhjul, vilket har medfört ett stort arbete att ta reda på varför hjulen brukar se ut på ett visst sätt, för att därefter kunna designa ett hjul som bär samma egenskaper i hållfasthetssynpunkt.
Visionen med elcykeln är att göra cykeln till ett attraktivt alternativ till bilen. I stora städer så som Stockholm är en del av gatorna avstängda för biltrafik och där bilar får åka är det ofta problem med brist på parkeringsplatser och trängsel. De flesta bilresor är korta och skulle ofta kunna ersättas med en cykeltur (Trafikverket, 2020). Dessutom är biltrafiken en signifikant källa till koldioxidutsläpp och luftföroreningar, då biltrafiken står för majoriteten av Sveriges inrikestransports koldioxidutsläpp (Naturvårdsverket, 2020). Allt fler väljer elbil, men då återstår problematiken med trängsel och luftföroreningar (Trafikverket, 2020). Om fler trafikanter väljer elcykeln i stället för bil, oavsett motortyp, är det till miljöns fördel eftersom bilträngseln och luftföroreningar minskar. Även folkhälsan kan dra nytta av att bilåkning ersätts med cyklande eftersom både helt manuell och
eldriven cykel erbjuder motion och utomhusvistelse, vilket är det bästa förebyggande mot bland annat hjärt- och kärlsjukdomar och psykisk ohälsa (1177 Vårdguiden, 2020).
Det som har legat till grund för tidigare forskning om cykelhjul är att förbättra aerodynamiken i hjulen (Crane & Morton, 2018). Detta för att tävlingscyklister behöver hjul med mindre luftmotstånd som gör cyklarna snabbare. Förutom de aerodynamiska egenskaperna är låg vikt något som gör en cykel snabbare. Låg vikt har stor betydelse till detta arbete eftersom det är en viktig egenskap för
slutprodukten, där ett målvärde är att den färdiga cykeln inte ska väga mer än 10 kg. Detta eftersom låg vikt är en egenskap som alla i utvecklingsteamet finner värdefullt i en cykel och antas vara en egenskap som gör cykeln attraktiv på marknaden.
Innovativa produktlösningar driver ingenjörskonsten framåt och uppmanar till nya lösningar på både gamla och nya problem. Dagens teknik blir alltmer mångsidig och inkluderande samtidigt som miljöaspekten växer i betydelse. Med det menas att teknik implementeras på fler områden än tidigare och att den ska göras tillgänglig för alla. Drivet bakom just denna forskning är innovationen, att försöka bryta ny mark. Försök med nya sorters hjul har gjorts otaliga gånger och visat sig ohållbara (Šotola, et al., 2018), men ändå fortsätter sökandet. Motivet med företagets forskning är att ta reda på om just denna lösning kanske är den bästa och kan bryta ny mark inom fordonsindustrin. Innovativa hjul är mest beprövat på cyklar och motorcyklar. Det är ännu inte synligt på bilar vilket beror att de nya typerna av hjul ännu inte kan tävla mot den nuvarande typen i funktion och säkerhet. Denna forskning är viktig för att belysa för- och nackdelar med andra typer av hjul samt göra dessa hjul bättre och mer konkurrenskraftiga.
2
Problemformulering
I arbetets begynnelse fanns ingen fungerande lösning till cykelns hjul. Den största utmaningen var att lösa kraftöverföringen från elmotorn till hjulet. Det fanns ett koncept gällande designen, men då var inte mekaniken och drivningen inräknad. Med mekanik och drivning menas de funktionella element som ska få elmotorn att driva hjulet på ett tillfredsställande sätt. Problemet befanns därför vara att konstruera drivningen samt att passa in detta i cykelhjulets tänkta design. Alla material som används i konstruktionen ska väljas med omsorg och ska i största möjliga mån vara förnybara och
återvinningsbara. Detta är ingen avgränsning men ett önskemål. Den mekaniska lösningen ska vara hållbar både funktionellt och miljömässigt samt praktisk att tillverka. Arbetet ska stödjas av en metodik där lämpliga verktyg från olika produktutvecklingsprocesser tillämpas.
Syfte och frågeställningar
Syftet med arbetet är att konkretisera en fungerande hjulkonstruktion för en elcykel med ett lämpligt material. Mer specifikt är det den bärande konstruktionen, vanligen bestående av nav och ekrar, som ska lösas. Även hur motorn ska placeras i hjulet och hur dess kraft ska överföras till hjulets rotation. Frågorna som denna rapport avser att besvara är följande;
• Hur kan drivlinan konstrueras för att passa in i den tänkta designen för ett elcykelhjul? • Hur fungerar utvecklingsprocessen för elcykeln och dess hjul i det aktuella företaget, jämfört
med andra produktutvecklingsprocesser?
Mål
• Att ha en fungerande komponentteknik med definierade delsystem och bestämd geometri på hela hjulet, samt att detta är kompatibelt med angränsande komponenter.
• Att ha ett förslag på material för hjulet och kunna bevisa att det fungerar för hjulets ändamål. • Att ha förslag på vidareutveckling av hjulets design.
Avgränsningar
Examensarbetet går som kurs av 15hp på halvfart, dvs 20 timmar i veckan över 20 veckor. Arbetet avgränsas till att endast röra design och konstruktion och helt utelämna produktionsplanering. På grund av tidsrymden kommer endast en iteration av prototyptillverkning och testning att utföras. Forskningen kommer inte att beröra aerodynamiska undersökningar. Forskningen kommer endast att beröra eldriften av hjulet. Hur pedaldriften fungerar arbetas med parallellt på företaget av en annan i utvecklingsteamet, och kommer inte alls att nämnas i denna rapport. Lika med cykelns bromsar, som monteras på hjulen men inte är berörda i denna rapport. Författaren har lämnat utrymme på hjulet där de ska placeras i samråd med företaget. Viss avgränsning sker gällande uträkningar för val av motor. Besluten baseras främst på måtten av motorns fysiska element samt vilket nominellt varvtal denne kan ge, emedan det skulle ge ett mer sanningsenligt svar att räkna med momentet som krävs för att rotera hjulet samt att ta med potentiella förluster. På grund av arbetets tidsavgränsning samt att projektet befinner sig i ett för tidigt stadie för att kunna räkna ut sagda moment har detta fått lämnas ogjort men ges som förslag på vidare forskning.
De nämnda avgränsningarna är av två typer; den första är arbetsmoment som åligger andra medlemmar av utvecklingsteamet, medan den andra är uppgifter som inte kunde utföras i detta examensarbete men som författaren kommer att arbeta vidare med efter kursens avslut.
3
2. ANSATS OCH METOD
Detta kapitel redogör för hur arbetet har genomförts och vilken metodik som valdes. Metoden är en kombination av den generiska produktutvecklingsprocessen vilken författaren hade vana av sedan innan, samt metoden som brukas av utvecklingsteamet på företaget. Inledningsvis presenteras den vetenskapliga metodiken och hur det teoretiska underlaget tagits fram, följt av en beskrivning av hur det praktiska arbetet har lagts upp.
Arbetsprocessen
Uppdraget definierades för att klargöra syfte och målsättning. För att ha en tydlig överblick av arbetet fördes en dagbok över hela tiden för projektet. För att skapa en förståelse för projektet som helhet ritades en tankekarta, där hela produktutvecklingsprojektet blev kartlagt över hur det ser ut i nuläget, se figur 1. Det stod tidigt klart att arbetet skulle röra sig runt cykelns hjul. Avgränsningar gjordes gällande exakt vari författarens uppdrag låg och vad som skulle göras tillsammans med övriga utvecklingsteamet vid företaget. Resultatet över vilka uppgifter som landade på författaren syns i det övre området titulerat ”Elsas exjobb”.
Arbetet har förts agilt med ett nära samarbete mellan företaget och författaren. Sistnämnda har givits full insyn i företagets verksamhet vilket har lett till en djup förståelse för den aktuella
produktutvecklingsprocessen och en god adaption till denna.
4
2.1.1. Planering
Planeringen har gjorts med hjälp av ett Gantt-schema för att ha en visuell bild av arbetsmomentens längd och tidsordning, se bilaga 1. Dokumentet har varit ett så kallat ”levande dokument”,
innebärande att det har redigerats utmed arbetets gång. Gantt-schemats innehåll beskrivs i figur 2 med en överblick över de olika arbetsmomenten och vilken ordning de utförs i.
Figur 2 Grafisk beskrivning av arbetsgången (eget arbete, 2021)
Som figur 2 visar har varje fas i arbetsgången två sidor. Den vänstra består av datainsamling och behandling av data genom design och konstruktionsarbete medan den högra består av dokumentation och rapportskrivning.
2.1.2. Problemförståelse
Arbetet har bestått av två skilda arbetsmoment; författande av rapport och konstruktionsarbete. Dessa delar vävs samman mot slutet av arbetet då allt praktiskt arbete dokumenteras och förklaras. Det allra första steget var att skapa en förståelse för projektet och var det just då befann sig i
produktutvecklingsprocessen och vad syftet med författarens arbete skulle vara. Detta genomfördes med flera långa diskussioner med handledaren på företaget där visionen presenterades och hjulets dåvarande koncept presenterades. Arbetet kom i gång på allvar när författaren upptäckte att den dåvarande lösningen inte alls var genomförbar och behövde en ny lösning. Då blev syftet med
uppgiften genast väldigt tydlig; lös problemet. För att tydliggöra varför sagda problem var ett problem användes metoden ”fem varför” (Liker, 2004). Metoden är effektiv för att få en djupare förståelse för ett problem och att finna dess rotorsak.
5
Fallstudie
Den utförda studien är en fallstudie. Metoden ansågs särskilt lämpligt eftersom studien är av
explorativ art och syftar till att bilda en djup förståelse för en specifik företeelse. Fallet som undersöks är en del av ett produktutvecklingsprojekt. Undersökningen har följt en induktiv metod där
observation (empiri) har lett till en slutsats som sedan har fått forma en regel (teori) (Säfsten & Gustavsson, 2019). De använda teknikerna för datainsamling har varit informella diskussioner, litteraturstudier och egna experiment. Det aktuella fallet är en konstruktionsprocess med ett mekaniskt problem, där målsättningen är att ha en fungerande komponentteknik med definierade delsystem och bestämd geometri på hela hjulet, samt att ha förslag på lämpliga material till samtliga komponenter.
2.2.1. Datainsamling
Undersökningen har varit av kvalitativ art. Datainsamlingen har varit av blandad form där både sekundärdata och primärdata varit underlag. Sekundärdata har haft formen av böcker och rapporter skrivna av forskare och ingenjörer. Information gällande liknande produkter har inhämtats från sekundära källor i form av webbutiker. Primärdata har varit i form av diskussionsanteckningar, befintliga CAD-filer på delar som angränsade till hjulet, råd från tillverkare och försäljare, egna simulationer, koncepttestning och materialtestning.
Litteraturstudie
Två böcker har särskilt lagt grunden till metoden för detta arbete: ”Produktutveckling- konstruktion och design” av Ulrich och Eppinger (2014) samt Forskningsmetodik av Säfsten och Gustavsson (2019). Utöver dessa har ett flertal vetenskapliga artiklar studerats.
Artiklarna söktes genom databasen Scopus samt ResearchGate genom biblioteket vid Mälardalens högskola. Scopus valdes specifikt eftersom just denna databas även täcker artiklar inom databasen ScienceDierct samt eftersom databasen är mycket stor och rymmer långt mer än vad författaren efterfrågar. ResearchGate valdes eftersom många av artiklarna som författaren sökte råkade finnas just där. Vid sökningen efter lämpliga artiklar uppstod en snöbollseffekt. Med detta menas att författaren sökte vilka artiklar som de studerade artiklarna har refererat till och studerade dessa (Säfsten & Gustavsson, 2019). Vid urval av litteratur valdes de artiklar som hade mest relevans med det aktuella forskningsområdet. Termer som användes i sökningen var:
Product development/ -process, Horizon 2/3 innovation, Bicycle wheel, Electric bicycle, Additive manufacturing, Prototyping, Iterative product development, Material properties, Hubless wheel, Spokeless wheel, Wheel construction
Artiklarna som har använts till detta arbete kommer uteslutande från vetenskapliga tidskrifter eller konferenshandlingar. De funna artiklarna användes för att vetenskapligt understödja beslut fattade under arbetets gång. I artiklarna eftersöktes bland annat information om metoder som används för prototypframtagning, FEM-analys och det traditionella cykelhjulets uppbyggnad samt om olika typer av hjul, särskilt innovativa lösningar. Just det sistnämnda har varit av stor vikt gällande detta arbetes teoretiska referensram.
Diskussioner med företaget
Den största delen av insamlingen av empiri har skett genom möten med företaget där diskussioner kring arbetet har förts. Dessa möten har skett antingen på arbetsplatsen eller över Skype. Författaren har inför varje möte haft några frågor förberedda samt ämnen som ska diskuteras för tillfället. Under mötet antecknas det som diskuteras. I slutet av varje möte sammanfattas det som har diskuterats för att tydliggöra hur arbetet ska fortskrida. Under mötena med handledaren på företaget gavs författaren de grundläggande direktiven gällande komponentens funktion och utformning. Dessa direktiv kom i form av muntliga beskrivningar tillsammans med enkla illustrationer, och blev författarens underlag för vidare arbete.
6
Kontakt med andra företag
För bedömning av hur den planerade komponenttekniken faktiskt fungerar togs kontakt med
tillverkare av dessa. Kontakten gällde främst kugghjul och kullager där råd togs från säljare på olika företag. Kommunikationsmetoden för kontakten var e-post. Denna kontakt var nödvändig eftersom författaren och utvecklingsteamet vid företaget valde komponenter efter storlek, det vill säga att ett kugghjul valdes efter hur stor plats den kunde ta, snarare än vilken utväxling som var nödvändig. Likaså med kullager. Därför behövde försäljare av dessa konsulteras för att välja rätt produkt efter både storlek och funktion. För mer allmänna råd gällande cykelns utformning och funktion har experter inom cykelbranschen konsulterats, såsom vana cyklister och tillverkare. Säljare kontaktades på företag A, B och C.
2.2.2. Analys av insamlade data
Direktiven från företaget är det som till största del styrt designen. Där framgick vilka målvärden som eftersträvas samt vilken funktion som behöver fyllas. Insamlade data har behandlats genom att omvandla direktiv, konceptförslag och annan input till företaget till skisser och sedan till CAD-modeller.
För att sortera kvalitativa data och uttyda dess mening och innehåll kan med fördel en tematisk analys göras. Det innebär att återkommande teman eller mönster identifieras och sorteras med varandra. Metoden är en grundläggande teknik för att kunna analysera kvalitativa data (Braun & Clarke, 2006, se Säfsten & Gustavsson, 2019).
I denna studie har en induktiv tematisk analys tillämpats för att identifiera kvalitativa data insamlade under diskussioner på företaget samt vid mejlkontakt med andra företag. Dokumentation har skett genom anteckningar under diskussionernas gång vilka sedan har utvecklats i ett separat
arbetsdokument. Tankekartor har använts för att skapa en bättre förståelse för ämnena som behandlats och att få en övergripande bild över projektets alla delar. Verktyget har även använts för att
kategorisera indata för att lättare se hur de hänger samman med varandra och hur de ska analyseras. Även insamlad litteratur genom vetenskapliga artiklar genomgick en tematisk analys, vilket
resulterade i rapportens teorikapitel.
Metod för produktutveckling
När detta projekt inleddes befann sig utvecklingen av elcykeln i fas 2. Det innebär att ett
helhetskoncept var formulerat och en enkel prototyp var tillverkad. Metoden i designarbetet har till stor del följt den generiska produktutvecklingsprocessen eftersom det är den som författaren är mest bekant med. En annan metod som nyttjats är Design thinking, vilken ofta kombinerats med den generiska metoden och inneburit stora fördelar på grund av sin agilitet och kreativanatur. Förutom den generiska processen har även företagets egen arbetsprocess implementerats, vilket har resulterat i en kombinerad och agil metod vari den kortsiktiga planeringen följde företagets arbetssätt, medan de långsiktiga aktiviteterna var stödda av den generiska processen. De följande beskrivna aktiviteterna är således till stor del tagna från den sistnämna metoden, med stora inslag av företagets egen metodik och design thinking. I resterande text kommer den generiska processen att kallas för
”produktutvecklingsprocessen”. Gällande designarbetet innehåller fas 2 följande steg (Ulrich & Eppinger, 2014):
• Utveckla produktarkitektur
• Definiera viktiga delsystem och användargränssnitt • Vidareutveckla industridesignen
7
Inom ramarna för just detta arbetes område, som rymmer ovanstående lista, går de första fem faserna i produktutvecklingsprocessen att applicera. Arbetet har delats in i faser likande den för hela
produktutvecklingsprocessen.
2.3.1. Konceptutveckling
En färdigbyggd produkt har väldigt sällan haft samma form genom hela utvecklingsprocessen. Projektet brukar inledas med en vision av en produkt, eller ändå oftare, med en önskan att lösa ett problem (Crilly & Morosanu Firth, 2019; Ulrich & Eppinger, 2014). Följande avsnitt presenterar arbetsmomenten utförda inom fasen konceptutveckling, där de mest framstående delarna är att formulera målspecifikationer, generera och välja koncept samt att börja planera för tillverkning. Målspecifikationer är krav och bestämmelser på vad det är produkten ska kunna utföra så att alla intressenter i projektet kan ha samma förväntningar på resultatet. Specifikationerna justeras utmed arbetes gång för att ständigt vara aktuella gällande nya krav och bestämmelser. Varje specifikation består av en produktegenskap som uppfyller ett kundbehov. Egenskapen ska vara mätbar och har ett bestämt målvärde samt vilka marginaler på värdet som är acceptabla. (Ulrich & Eppinger, 2014) I konceptgenereringen ska så många koncept som möjligt skissas och ges en kort beskrivning. För att generera koncept måste först problemet vara fullt definierat och kraven på lösningen vara bestämda. Koncepten listas upp jämte varandra och bedöms genom att dess för- och nackdelar ställs mot varandra samt vilka som har de bästa egenskaperna för produktens ändamål. Beslut gällande
konceptval fattades med hänsyn till konceptets genomförbarhet, dess funktion samt dess kompabilitet med angränsande komponenter.
I samband med att designen och utformningen påbörjas är det lämpligt att samtidigt planera för hur produkten ska tillverkas. Att ha med det tänket under hela designprocessen kallas Design for Manufacturing (DFM). Tillverkningsmetoden blir då en styrande faktor i designbeslut (Ulrich & Eppinger, 2014). För att kunna planera en produkts utformning med tillverkningsaspekten i åtanke krävs goda kunskaper i de tillverkningsmetoder som övervägs, för att kunna anpassa konstruktionen så att den bäst passar in för tänkta metod. För en erfaren konstruktör är detta en självklarhet och tillverkningsmetoden är en grundförutsättning för produktens design.
2.3.2. Utveckling på systemnivå
I denna fas ingår moment som att definiera produktarkitektur och delsystem, bestämma preliminär komponentteknik samt att vidareutveckla designen. I huvuddrag handlar det om att göra produkten tekniskt funktionell.
Med produktarkitektur menas de funktionella element som återfinns i en produkts fysiska element och hur de samverkar med resten av konstruktionen. Ett fysiskt element är en fysisk del av produkten, medan ett funktionellt element är vilken funktion delen fyller. Steget att utveckla en produktarkitektur innebär att definiera varje fysiskt element och dess funktionella element samt hur de samspelar. Ofta går detta att överblicka i konceptutvecklingsfasen, men det definieras i fullo i fasen för utveckling på systemnivå. Produktarkitekturen kan vara modulär eller integrerad. En modulär arkitektur innebär att olika delar, kallat moduler, kan bytas ut mot andra moduler med andra egenskaper, för att på så sätt möjliggöra variationer hos produkten. Integrerad arkitektur innebär att komponenterna är utformade för just den specifika produkten, viket möjliggör optimal prestanda och låg vikt eftersom delarna är designade för ett specifikt ändamål. (Ulrich & Eppinger, 2014)
Likt produktarkitekturen handlar komponenttekniken om hur olika komponenter (delsystem) fungerar och hur de samspelar med varandra. I en mekanisk konstruktion ställs det stora krav på att alla komponenter kan fungera som det är tänkt och att de fungerar väl ihop med varandra. För att skapa eller välja bra komponenter krävs god kunskap om dess funktioner, hur de ska användas samt vilka krav som ställs på dem. Dessa krav gäller vanligen hur stor kraft komponenten kommer att utsättas för, om den ska rotera och i så fall hur fort, samt
8
Sammanhörande med ovanstående är designen, utformningen, av produkten. Om produkten designas åt ett företag bör designen följa företagets formspråk, vilket innebär att det kan kännas igen på form och färgval att det tillhör ett visst märke. I detta steg är det viktigt att använda information som har arbetats fram tidigare i processen, så som kundbehov och önskemål från användare eller direktiv från beställare. Produktens användarvänlighet och semantik bör beaktas under arbetet med utformningen. (Ulrich & Eppinger, 2014)
2.3.3. Detaljutveckling
I fasen för detaljutveckling summeras resultaten från föregående moment och vidareutvecklas genom att fastställa mått och toleranser. Överläggning av material har varit aktuellt i båda föregående faser men bestäms i denna fas preliminärt. I denna fas tillverkas även en prototyp, vilket förklaras närmare i avsnitt 2.4. När en digital prototyp är färdig förutsätts att alla mått är korrekta och definierade. Vid tillverkning är det per definition omöjligt att tillverka något med exakt rätt mått. Det finns mängder av parametrar som kan orsaka storleksvariation, och därför behöver toleranser på alla mått bestämmas. Detta redovisas vanligen med 2D-ritningar. (Ulrich & Eppinger, 2014)
Materialval är en mycket viktig komponent gällande produktens hållbarhet, både miljömässigt och konstruktionsmässigt. För att fatta bra beslut om material krävs goda faktaunderlag och materialtester. Design for Environment, DFE, innebär att miljöaspekten är en styrande faktor i designen. Hit räknas bland annat huruvida materialet är förnybart eller återvinningsbart, om utvinningsmetoden och produktionsmetoden är acceptabla gällande koldioxidutsläpp och miljösäkerhet samt om produkten efter användning går att återanvända eller återvinnas. För att designa en produkt till återvinningsbar är det viktigt att se till att den är möjlig att montera isär så att delar av olika material kan sorteras var för sig. (Ulrich & Eppinger, 2014)
För att fatta välgrundade beslut kring material krävs rätt materialdata. Det innebär att materialdata stämmer för just det materialet som ska användas vid konstruktionen, eftersom materialets egenskaper kan vara annorlunda beroende på hur det är framställt och behandlat. Den bästa metoden för att få fram riktiga materialdata är att själv tillverka en provbit med avsett material och med
produktionsmetoden som prototypen senare ska tillverkas i. Denna provbit dras itu i en
dragprovsmaskin, där resultatet av testet ger önskade materialdata. Varje material testas tre gånger, där genomsnittet av alla testresultat blir underlag för bestämda materialdata. Detta eftersom det finns risk för variation under tillverkningen av provbitarna som kan orsaka defekter. Sannolikt kommer inte tre bitar av samma material tillverkade med samma metod att uppföra sig precis likadant, en viss variation kommer alltid att förekomma på grund av variation i råmaterialets kvalitet eller i
produktionen. För att bekräfta att testresultatet är rimligt jämförs uträknade data med data från Granta EduPack (2020). Resultaten av dessa materialtester används till att fatta välgrundade beslut gällande materialval för hjulets komponenter.
Olika typer av prototyper
I ett produktutvecklingsprojekt är det vanligt med prototypframtagning. Med prototyp avses en avbildning av en produkt antingen analytisk eller fysiskt (Ulrich & Eppinger, 2014). En analytisk prototyp är vanligen en digital CAD-modell, en FEM-analys eller en matematisk modell. Denna typ av prototyp används med fördel för att testa en specifik del av ett koncept, men är mindre lämpliga när helheten ska undersökas. En fysisk prototyp kan göras på flera sätt. Följande avsnitt beskriver några av metoderna.
− Skissmodell
En fullskalig skummodell kan tillverkas för att undersöka konceptets dimensioner och proportioner. Alla konceptets delar kan snabbt tillverkas och limmas ihop för att se hur de ser ut tillsammans. Fördelen med denna typ av prototyp är att det går relativt snabbt och enkelt att tillverka. Nackdelen är att det kräver resurser i form av material (skum att bygga i) och verktyg att forma skummet med
9
(Ulrich & Eppinger, 2014). Till mindre modeller kan även lera användas för att snabbt ge form åt ett koncept.
− Mockup- funktionell
För att testa produktarkitekturen och dess funktionella element kan en mockup tillverkas. Mockup är en fullskalig, ofta något grovhuggen, modell vars syfte är att testa konceptet i användningsmiljön (Österlin, 2003). Här kan alla eller delar av de funktionella elementen undersökas, och framför allt, hur de förhåller sig till varandra. En mockup är inte gjord med den tänkta slutproduktens material och tillverkningsmetod utan med det som finns tillgängligt resursmässigt (Ulrich & Eppinger, 2014; Österlin, 2003).
− Funktionsprototyp i rätt material, Alfaprototyp
En alfaprototyp är tillverkad i samma material som slutprodukten är tänkt att ha, men inte
nödvändigtvis med rätt tillverkningsmetod (Ulrich & Eppinger, 2014). Syftet med att ha en sådan prototyp är för att göra småskaliga användartester.
Prototyptestning
Efter prototyptestning analyseras och utvärderas resultaten. Baserat på denna information fattas beslut om hur arbetet ska föras vidare och vilka förändringar som behöver göras.
Prototyper kan testas både digitalt och fysiskt. En kombination av både fysisk och digital
prototyptestning är Augmentiserad verklighet, eller Augmented reality som är det engelska begreppet (AR). Med AR kan en digital prototyp visas genom att den projiceras genom en digital kamera på exempelvis en mobiltelefon och visas på enhetens skärm. Simulation är också ett slags digital prototyptestning, eftersom den visar hur prototypen rent teoretiskt borde stå sig mot yttre krafter. Fysisk prototyptestning kan innebära allt från att känna in dimensionerna från en skissmodell till att testa enskilda funktioner eller rentav att testa produkten till fullo i sin rätta användningskontext (Ulrich & Eppinger, 2014).
Tabell 1 För- och nackdelar med olika digital och fysisk prototyptestning
Fördelar Nackdelar
Digital + Simulation är ett enkelt verktyg och ger snabbt en uppfattning om prototypens hållfasthet + AR ger en realistisk bild av
prototypen och hur den uppfattas i förhållande omgivningen
+ Test av en digital prototyp går ofta snabbt och kostar ingenting i sig, borträknat den tekniska utrustningen som krävs.
− Simulation ger ett missvisande resultat om materialdatan i programmet skiljer sig från materialet som används i verkligheten
− Simulation kan sällan återge alla parametrar som spelar in i en verklig testsituation, så som omgivande miljö eller egenskaper för just det materialet som testas, så som mikrosprickor.
− AR ger ingen fysisk upplevelse av användningen, annan än den som hjärnan själv formar.
Fysisk + Ger testpersonen en fullständig bild av användningen.
Möjliggör undersökning av hur väl prototypen fyller sin funktion och hur användningen upplevs.
− Fysiska prototyper tar ofta lång tid att tillverka och kräver resurser.
10
Kvalitetssäkring
För att säkerställa kvalitet och riktighet i datainsamling används triangulering. Triangulering innebär att data insamlas från minst tre olika typer av källor för att säkerställa att innehållet stämmer överens, oberoende av varandra (Säfsten & Gustavsson, 2019). Detta är genomfört då data har insamlats från vetenskapliga artiklar, diskussioner på företaget och kontakt med andra företag, samt att materialdata hämtad från externa källor jämförs med egna materialtester.
Validitet innebär att forskningen är relevant och att den stämmer (Säfsten & Gustavsson, 2019). Detta säkerställs genom noggrann testning, samt att beslut gällande konstruktion och val av komponenter tas i samråd med yrkeskunniga inom respektive område. Med yrkeskunniga menas återförsäljare, tillverkare eller erfarna cykelexperter. Vid prototypbygge och prototyptestning har kvalitetsarbetet bestått i att försöka likna det tänkta slutresultatet så mycket som möjligt, även om prototypen bara är en enkel mockup. Genom att göra prototypen så verklig som möjligt blir testresultatet tillförlitligt eftersom det är färre variabler som skiljer prototyptestet från ett verkligt scenario. Detta har tillämpats genom att skissmodellen av hjulkåpan i alla mått överensstämde med den planerade designen och därmed gick att dimensionstesta mot resten av cykeln, som även den var byggd efter helt verkliga mått. Till testet av den funktionella prototypen tillverkades alla komponenter med den tänkta
produktionsmetoden, om än inte med det tänkta materialet, både för att se hur maskinerna klarade att framställa komponenterna och för att testa om de gick att använda. Alternativet till detta hade varit att tillverka enklare fixturer för att kunna genomföra specifika tester av vissa komponenter eller
funktioner, men här användes alltså de komponenter som är tänkta att användas i slutprodukten. Fördelen med att göra enklare fixturer för enskilda tester är att det kan spara tid och material, med nackdelen att det ger ett mindre verklighetstroget resultat. Kvalitetssäkring vid
produktutvecklingsprocessen har tillämpats genom att välja de verktyg ur processerna som är mest relevanta och givande för arbetet.
Reliabilitet innebär att forskningen ska gå att upprepa och att samma resultat därmed ska uppnås (Säfsten & Gustavsson, 2019). Detta arbete skulle gå att upprepa genom att följa rapportens metod- och genomförandekapitel. Det som kan göra arbetet svårt att upprepa är att den mesta data är insamlad från informella möten och diskussioner.
11
3. TEORETISK REFERENSRAM
Följande kapitel behandlar teori som ligger till grund för beslut fattade under arbetets gång. Här lyfts teori om cykelhjulets uppbyggnad, innovativa typer av cykelhjul presenteras samt information om de olika materialen som övervägts till olika delar av prototypen.
Cykelhjulets uppbyggnad
Jobst Brandt (1993) är en forskare som har arbetat med konstruktion av cyklar i många år. Han har sammanfattat människans kända kunskaper kring cykelhjulet i sin bok ”Bicycle Wheel” (1993). Hjulet är en grundläggande faktor till människans utveckling av maskiner och har oändligt många användningsområden. Cykelhjulet kan med hjälp av förspända ekrar bära en stor last och kan hantera en stor variation av kraftbelastning. Utvecklingen av hjulet har till största del skett av kunniga hantverkare som har fört vidare kunskapen till sina lärlingar, varför konsten inte är särskilt väldokumenterad. Utformningen har varit densamma åratal utan att vara ifrågasatt. (Brandt, 1993)
Figur 3 Lastfall av det traditionella cykelhjulet (Brandt, 1993)
Det traditionella cykelhjulet har ekrar med inbyggd spänning som ändras när hjulets utsätts för en last. Spänningen i ekrarna minskar i och med att hjulet utsätts för last. När hjulet är utsatt för högsta möjliga spänning blir ekrarna enligt denna regel slaka. Det hela kan ses som en ekvation, där kraften som är riktad från marken (normalkraft) är positiv medan kraften riktad mot marken (last) är negativ, se figur 3. Hjulet är förspänt med en positiv kraft och har en hög spänning riktad uppåt. När hjulet belastas tillkommer ett negativt värde till ekvationen. När krafterna tar ut varandra och ekvationen är lika med noll, har hjulet uppnått sin maxlast. Som jämförelse kan användas ekrade hjul av trä, där ekrarna endast påverkas av tryck (inte spänning) som angriper från underlag och från lasten. (Brandt, 1993)
12
3.1.1. Innovativa cykelhjul
Det klassiska hjulet består av fälg, ekrar och ett nav (Brandt, 1993). Efter att ha sett ut på samma sätt åratal har det på senare år tillkommit andra, innovativa hjullösningar. Sam Pearce har utvecklat sitt loop-hjul som först var utvecklat till barnvagnar, men tidigt testat som cykelhjul. Denna typ av hjul, kallat ”suspended wheel” har antingen öglor eller en spiralform i mitten där ekrarna normalt sitter, se figur 4:A (Crilly & Morosanu Firth, 2019). Exempel på spiralform på ekrarna är Softwheels’s hjul med tre stötdämpande ekrar, figur 4:B. Hjulen är utvecklade för rullstolar i syfte att minsta skadliga stötar och vibrationer för användaren (Softwheel, 2020).
Figur 4 A: Sam Pierce's Loopwheel (Crilly & Morosanu Firth, 2019) B: Softwheel (2020), C: Lew's navlösa hjul (1993) D: Navlöst hjul av Mopare et al (2018), E: Franco Sbarros navlösa hjul (Calvet, 2020), F: Navlöst hjul av Sotola et al (2018)
Hjul med ekrar är det som dominerar och alltid har dominerat i användning (Brandt, 1993). Pearce har skapat ett ekerlöst hjul som bär krafterna genom loopar där navet inte är fixerat utan kan röra sig i planet relativt till fälgen. Detta gör att navet kan röra sig i två led, men inte tre, vilket gör det
motståndskraftigt för vridning. Syftet med Pearces forskning var att hjul, särskilt hjul till barnvagnar och rullstolar men även cyklar, ansågs vara alldeles för stumma. Ett exempel som berättas är hur Sam ser ett barn som nästan ramlar ur sin vagn på grund av vagnen skumpar fram så häftigt, helt utan stötdämpning. Detta ledde fram forskningen på hur hjul kan designas med mer stötdämpning, och resultatet blev ekerlösa hjul (Crilly & Morosanu Firth, 2019).
Paul E. Lew patenterade år 1993 ett helt eker- och navlöst hjul, se figur 4:C. Hjulet är uppbyggt av två delar: en som snurrar och en som är stilla. Delarna sitter ihop med kullager, som är placerade med 120 graders mellanrum. Lew argumenterar för nyttan med detta hjul och betonar att vikten på hjulet minskas och att säkerheten ökar. Även de aerodynamiska egenskaperna förändras till det bättre (Lew, 1993). Mopare et al (2018) har även de byggt ett navlöst hjul med tre kullager jämnt fördelade inom hjulet. De menar att de navlösa hjulet är till fördel för att det minskar hjulets naturliga tröghet. För att göra hjulet hållbart för dynamisk last finns en triangelformad ram, se figur 4:D (Mopare, et al., 2018). Uppfinnandet av det navlösa hjulet har tillskrivits Franco Sbarro, som presenterade sin lösning 1989, se figur 4:E (Calvet, 2020). Hjulet tycks ha fungerat men blev ingen succé. En orsak till detta kan vara
13
att lagerlösningen bestod av ett enda stort kullager som specialtillverkades av SKF, och att detta ska ha varit för dyrt för att massproducera (Šotola, et al., 2018). Ytterligare ett forskningsprojekt med navlösa hjul är det av Šotola et al (2018), se figur 4:F. De gjorde ett navlöst hjul helt utan att behöva tillverka eller beställa specialgjorda delar, utan kunde tillverka hjulet helt på standardkomponenter och genom detta få ner tillverkningskostanden markant. Dessa vill lyfta fram tre fördelar med navlöst hjul: Noggrannare styrning, lägre tyngdpunkt och lägre vikt (Šotola, et al., 2018).
Navlösa hjul har även använts på motorcyklar. En fabrikör som släppte en begränsad upplaga av en motorcykel med navlösa hjul är Harley Davidson. Företaget Ballistic Cycles utlovar en motorcykel med navlösa hjul inom kort, vilkdet de verkar ha gjort sedan 2015 (Ballistic Cycles, 2015). Övriga motorcyklar med navlösa hjul tycks vara enskilda designkoncept utan större produktion. Författaren har tillsammans med utvecklingsteamet på företaget gjort efterforsningar utan att ha lyckas hitta något fordon med navlöst hjul som finns till försäljning.
3.1.2. Vad ett cykelhjul förväntas hålla för och vari riskerna finns
Den mest påfrestande faktorn för hjulets hållfasthet är den dynamiska belastningen. Med detta menas plötsliga skillnader i underlag, kraftfördelning av förare och last samt plötsliga svängningar som orsakar vridning (Brandt, 1993). Om spänningen ändras i cykelns hjul kan hjulet förlora sina
hållfasthetsegenskaper (Hunter, 2020). Hjulet är byggt av statisk last och riskerar att falla på grund av den dynamiska lasten, vilket är den vanligaste orsaken till brott (Hunter, 2020).
Konstruktion
Vid konstruktion måste all utformning ske så att uppkomna spänningar hanteras på bästa sätt. En välbeprövad metod för att skapa en hållbar konstruktion är att använda enkla fackverk (Strandberg, 2014), vilket tar sin form i trianglar. Just triangeln och talet tre är frekvent förekommande i
konstruktionssammanhang, eftersom det är med tre knutpunkter som stabilitet bäst uppnås. Detta beror på att konstruktionen med tre bärande stänger blir statiskt bestämd, vilket innebär att kraften kan definieras i varje stång (Strandberg, 2014). Kombination av genomtänkt utformning och ett bra materialval skapar god hållfasthet.
14
Mekanik
För den mekaniska lösningen i kraftöverföringen är två komponenter avgörande; kullager och kugghjul. Kullager har funnits lika länge som roterande axlar har funnits i tekniksammanhang (Olsson, 2006). Dess funktion är att överföra rotation på ett följsamt sätt och ge roterande komponenter en lång hållbarhet. För att bedöma de tekniska komponenternas dimension görs beräkningar enligt praxis. För att försäkra sig om dessas riktighet rådfrågas även återförsäljare eller tillverkare av sagda komponenter. Beräkningarna som görs gäller kugghjulens utväxling i förhållande till motorns effekt. Formler hämtade från boken Maskinelement (Olsson, 2006). För att omvandla hjulets periferihastighet till varv per minut (rpm) räknas först hjulets vinkelhastighet ut, se ekvation 1. Vinkelhastigheten multipliceras enligt ekvation 2 för att ge varvtalet. För att beräkna skillnaden i varvtalet för hela hjulet och varvtalet för ett drivande kugghjul divideras det drivande hjulets varvtal (n1) med utväxlingen mellan kuggarna, se ekvation 3.
Tabell 2 Beteckningar
Ekvation 1: Periferihastighet: 𝑣 = 𝑟 ∙ 𝜔
Ekvation 2: Varvtal: 𝑛 = 𝜔∙30 𝜋
Ekvation 3: Kugghjulets utväxling: 𝑛1
𝑛2= 𝑈 = 𝑧2 𝑧1
Liksom synes i Mopare et al (2018), Lew (1993) och Sbarro (1989) används kullager på olika sätt för att överföra rotation. I ett vanligt cykelhjul med ekrar sitter kullagret i hjulets nav, se figur 5. Det kan sägas om Sbarros navlösa hjul att det är som att kullagret i hjulets nav endast är förstorat, och i stället har en diameter som är närmre den för hela hjulet. För att undgå så stora kullager kan i stället flera
Beteckning Enhet Antal kuggar z st Varvtal n rpm Utväxling U Dim. löst Effekt P W Vridmoment M Nm Vinkelhastighet ω Rad/s Periferihastighet v m/s
15
mindre användas, som nämnt tidigare. Varför stora kullager vill undvikas är främst dess höga vikt och storlek. Dessutom är den svår att tillverka samt är mycket dyr.
Figur 5 Kullagrets placering i en ekrad cykel (Monark, 2021)
Elcykeln
En elcykel definieras som en cykel med elmotor som aktiveras när trycket på tramporna blir
tillräckligt starkt, exempelvis vid cykling upp för en backe. En elcykel får med hjälp av motorns kraft inte färdas i mer än 25 km/h för att räknas som en cykel. Om motorn bidrar med kraft som får cykeln att åka fortare räknas fordonet som en moped och måste därmed vara registrerad som en sådan. (Transportstyrelsen, 2013)
FEM-analys
Finita elementmetoden, förkortat FEM, är den metods som används vid kraftsimulering i SolidWorks. Metoden går ut på att komponentens geometri delas in i segment, i ett antal finita (ändliga,
begränsade) element, se figur 6. Elementen delas av genom ett rutnät, se figur 6. När konstruktionen utsätts för en kraft mäts spänningar, förflyttning eller sträckning i just dessa element (Dassault
systems, 2017). Med ett tätare rutnät blir resultatet av simulationen mer precist, men det tar också mer datorkraft och tar lång tid. För detaljer med komplex form kan rutnätets täthet anpassas efter detaljens form, kallat ”Curvature based mesh”, så att det är tätt rutnät på små ytor medan det är glesare över stora ytor. I figur 6 är det ett ”Standard mesh”, lika stora rutor över hela detaljen.
16
Figur 6 Olika mesh-täthet på en solid. Soliden till höger har genomgått en kraftsimulering och visar var spänningar uppstår (eget arbete, 2021)
Vid test definieras hur konstruktionen ska förhålla sig till pålagd kraft. Den kan vara helt fast fixerad eller vila fritt på ett underlag. Det definieras även hur kraften angriper konstruktionen, om det är genom en direkt kraft, eller om det är ett utspritt tryck eller kanske ett starkt vinddrag. I figur 6 visas hur spänningarna redovisas efter simulation. Mörkt blå betyder att det inte är höga spänningar vid det området, medan röd färg innebär att det är högre spänningar just där. Detta jämförs med materialets sträckgräns, som är spänningen som uppnås när materialet börjar deformeras plastiskt. Om det är en solid med symmetrisk geometri, så som i exemplet ovan, är det möjligt att simulera bara hälften, en fjärdedel eller en åttondel av soliden, och uppnå samma resultat som om hela soliden hade simulerats. Fördelen med detta är att det spar tid och datorkraft. (Dassault systems, 2017)
Materialtester
För att kunna utföra trovärdiga simulationer i SolidWorks krävs att det angivna materialet har rätt egenskaper. För att ta reda på materialets sträckgräns, brottgräns, töjning och E-modul kan ett dragprov eller ett tryckprov utföras (Dahlberg, 2001). Dessa materialsamband förklaras nedan.
• Sträckgräns: Uppnås då lasten som materialet utsätts för blir så hög att materialet börjar att deformeras plastiskt, innebärande att det då lasten upphör inte återgår till sin ursprungliga form. Betecknas Re.
• Brottgräns: Uppnås då lasten som materialet utsätts för blir så hög att materialet brister- ett brott uppstår. Betecknas Rm.
• Töjning: Ett mått som redovisar hur många mikrometer (µm) materialet har tänjts under lasten den utsätts för. Betecknas ε och har enheten %.
• E-modul: Förklarar sambandet mellan materialets töjning och uppkommen spänning, mäts i MPa eller GPa.
17
Material
Följande avsnitt kommer att presentera samtliga material som används i prototypen av hjulet. Samtliga nedanstående tabeller består av data insamlade från Granta EduPack (2020), med undantag för kolfiberförstärkt nylon och en särskild komposit som här får heta komposit A.
3.7.1. Aluminium
Aluminium lämpar sig särskilt väl i fordon på grund av sin låga densitet och sina goda
materialegenskaper, se tabell 3. Materialet är starkt och segt samt är passande till fräsning, gjutning, plåtpressning och svetsning. Aluminium är mycket tacksamt att återvinna då det krävs förhållandevis lite energi för ändamålet jämfört med energin som krävs för att utvinna malmen till metallen ur jorden. Materialet används i cykelns fälg där det står som ensam kandidat för material.
*=Materialet går att återvinna även om det under sortering och nedsmältning har kontaminerats av andra material. Det kan då inte användas som ett nytt material eftersom dess egenskaper kan ha blivit ändrade. Materialet kan dock användas till andra och mindre krävande användningsområden. Detta öde är bekant som ”Downcycling”. Ofta är ett material endast möjligt att downcycla och inte
återvinna eftersom dess ursprungsform och egenskaper inte går att återskapa, även om materialet går att ta vara på.
(Granta EduPack 2021)
Tabell 3 Material- och miljömässiga egenskaper för aluminium
3.7.2. Stål
Stål är en blandning är kol och järn och är väldigt vanligt förekommande i mekaniska komponenter så som kugghjul och lager. Stål är dessutom relevant eftersom det övervägs som material i den bärande konstruktionen. Det har goda hållfasthetsegenskaper men en hög densitet, se tabell 4.
Tabell 4 Material- och miljömässiga egenskaper för stål Sträckgräns 160-187 MPa Brottgräns 185-216 MPa E-modul 72,2- 75,8 GPa Töjning 10-14,4% Densitet 2660-2730 kg/m3 Återvinningsbar Ja Förnyelsebart Nej Downcycle* Ja Sträckgräns 433-924 MPa Brottgräns 721-1390 MPa E-modul 200 -220 GPa Töjning 10-21% Densitet 7800 kg/m3 Återvinningsbar Ja Förnyelsebart Nej Downcycle* Ja
18
3.7.4. Kolfiberförstärkt epoxy
Materialet kolfiberförstäkt epoxy, hädanefter bara kallad kolfiber, är en komposit som består av kol och en eller flera polymerer, i detta fall epoxy. Kolfiber är bekant för sina enastående
materialegenskaper kombinerat med låg densitet. Nackdelen med materialet är att det kan vara svårt att återvinna enligt Granta EduPack (2020). Beroende på hur kompositen är sammansatt kan dess materialegenskaper skilja sig väldigt mycket, varför det i tabell 5 har väldigt stora spann. Just vilka materialegenskaper kolfibern som ska användas i prototypen har är inte definierat, varför
materialtester här är extra viktigt.
Tabell 5 Material- och miljömässiga egenskaper för kolfiber
3.7.5. Kolfiberförstärkt nylon
Produceras med 3D-printning. Kolfiberförtärkt nylon är vad funktionsprototypen tillverkas av, och övervägs att ha till den bärande konstruktionen. Materialdatan i tabell 6 är hämtad från Addnorth 3D filament (2021) och kontrolleras med eget materialtest.
Tabell 6 Material- och miljömässiga egenskaper för kolfiberförstärkt nylon
3.7.6. Komposit A
Med sina utmärkta miljömässiga egenskaper är detta material ett bra miljöval, se tabell 7.
Tabell 7Material- och miljömässiga egenskaper för komposit A
Sträckgräns 231-4000 MPa Brottgräns 450-4800 MPa E-modul 50 -260 GPa Töjning 1-2% Densitet 1500-1800 kg/m3 Återvinningsbar Nej Förnyelsebart Nej Downcycle* Ja Sträckgräns 50 MPa Brottgräns 58 MPa E-modul 1,46 GPa Töjning 25% Densitet 1500-1800 kg/m3 Återvinningsbar Nej Förnyelsebart Nej Downcycle* Ja Brottgräns 190 MPa E-modul 9,5 GPa Töjning 3% Densitet 1360kg/m3 Återvinningsbar Ja Förnyelsebart Ja Downcycle* Ja
19
Produktionsmetoder; nära färdig form
Additiv tillverkning har länge använts till prototypframtagning och blir allt vanligare som
produktionsmetod till produkter i större skala (Vaneker, et al., 2020). Med additiv tillverkning menas att material sammansätts utifrån en digital 3D-fil för att återskapa filen i verkligheten. Vanligtvis byggs materialet ihop med tunna lager som läggs på varandra. Fördelen med additiv tillverkning är att det går relativt snabbt att tillverka en komplex modell med lite efterarbete. CNC fräsning är en effektiv metod för att få ut detaljer med hög precision. Till skillnad från 3D printning som är en additiv tillverkningsmetod, är CNC fräsning en subtraktiv metod där material skärs bort och lämnar kvar det som bygger ihop detaljen (Thompson, 2007). Dessa metoder är mycket lämpliga till
prototypframtagning eftersom de kräver lite efterarbete och är direkt efter tillverkning nära sin färdiga form.
Innovationer och osäkerhetshorisonten
När en ny produkt är under utveckling är det relevant att ta reda på hur bekant marknaden är för den kommande produkten, om det finns en etablerad marknad för produkten eller om den skapar en ny. Osäkerhetshorisonten, figur 7, är en illustration över vilka potentiella marknader en ny produkt kan göra inträde i. Just namnet osäkerhetshorisont bygger på skattningen av hur stor osäkerhet en produkt har på marknaden och vilken risk som tas i samband med dess lansering. Axeln ”knowledge of technology” innebär hur väl utvecklingsteamet är bekant med sin tekniska lösning och har full
kännedom om dess funktion. Axeln ”Knowledge of market” står för hur väl teamet känner till behovet som produkten är tänkt att uppfylla, och hur stort detta behov egentligen är. När en produkt lämnar horisont 1 och lyckas nå en ny eller befintlig marknad med ny teknik kan det talas om en innovation. En innovation innebär ny nytta, teknologi som inte tidigare är använd, eller kanske använd i ett helt annat område, som nu fyller ett behov och kanske skapar en ny marknadspattform (Ulrich & Eppinger, 2014). Nyttan med en innovation är att det kan bana väg för ny teknik som kan
implementeras på flera områden och på så sätt bidra till tekniska framsteg hos en större kategori av produkter.
20
Varianter av produktutvecklingsprocesser
De två processerna som använts som stöd under arbetets gång är den generiska produktutvecklingsprocessen samt design thinking.
3.10.1.
Den generiska produktutvecklingsprocessen
Produktutvecklingsprocessen (Ulrich & Eppinger, 2014) genomgår regel sex faser, se figur 8.
Figur 8 Produktutvecklingsprocessen (eget arbete, 2021)
Fas 0: Planeringsfasen. Denna fas föregår det egentliga utvecklingsarbetet och resulterar i en uppdragsbeskrivning. Här identifieras möjligheter till problemlösningar och arbetet får en tidsplan, vanligtvis ett Gantt-schema.
Fas 1: Konceptutvecklingsfasen. Här identifieras behoven hos målgruppen och flera koncept genereras. Koncepten testas och utvärderas innan ett väljs ut för vidareutveckling. En eller flera experimentella prototyper kan byggas i samband med koncepttestningen. Efter denna fas ska det vara klarlagt att konceptet är ett genomförbart och ett hållbart projekt och en målspecifikation ska vara formulerad. Här undersöks även konkurrerande produkter.
Fas 2: Utveckling på systemnivå. Här upprättas en produktarkitektur. Delsystem definieras och de viktigaste komponenterna utvecklas till en preliminär funktion. Produktionsmetod och montering börjar planeras i denna fas.
Fas 3: Detaljutvecklingsfasen. I denna fas bestäms material, produktionsmetod samt mått och
toleranser för samtliga komponenter. Här redovisas produktens slutgiltiga geometri i form av ritningar och vanligen en digital prototyp.
Fas 4: Testning och vidareutveckling. Här tillverkas alfa- och betaprototyper och testas grundligt. Denna fas är grundläggande för att säkra kvalitet för slutprodukten.
Fas 5: Produktionsupptakt. Nu testas det riktiga produktionssystemet och personalen får övas i att hantera problem som kan uppkomma i samband med produktionen. Dessa problem kallas ofta för ”barnsjukdomar” i sammanhanget, problem som behöver åtgärdas innan produktionen kan starta på riktigt.
21
3.10.2.
Design thinking
Metoden bygger på att skapa en djup förståelse för fenomenet innan ett problem kan definieras eller lösas. Design thinking är en agil och iterativ metod där designbeslut bygger på korta cykler av prototypbygge och testning där ständiga förbättringar eftersträvas. Figur 9 visar en grafisk förklaring av processen.
• Empathize- Bygger på empati och medkänsla. Anders Olsson (2020) beskriver empati
genom citat som många säkert kan känna igen sig i: ”Jag förstår inte hur man kan
tycka så!” eller ”hur kan man va så dum att man tror att…” . Syftet med steget är att
skapa en djup förståelse för en situation för att se hur det berör inblandade. Ta reda på
vem det berör och hur…
• Define- Definiera, vad är problemet? Varför är det ett problem? Här tas kunskaperna
från tidigare steg till vara för att förstå hur problemet berör inblandade.
• Ideate- Brainstorma och komma med lösningsförslag. Eftersom det nu finns en full
förståelse för hur fenomenet upplevs och hur det påverkar människor, samt varför
problemet är ett problem så är det lättare att se problemet ur de berördas synvinkel.
• Prototype- En lösning konkretiseras i form av en ritning, digital prototyp eller fysisk
prototyp.
• Test- Lösningen testas och resultatet dokumenteras och analyseras. Med resultatet
som underlag tillverkas en ny och förbättrad prototyp som åter testas. Dessa två sista
steg itereras tills en tillfredställande lösning uppnåtts.
(Olsson, 2020; Center for innovation in teaching & learning , 2021)
22
4. EMPIRI
I följande kapitel presenteras data som författaren fick i samband med interaktion med företaget samt resultat av materialtest. Detta är data som tillsammans med teori ligger till grund för resultatet och besvarande av forskningsfrågorna.
Målspecifikationer
Underlaget som först gavs var en skiss på hjulet i genomskärning där alla komponenter var
utplacerade. Detta var en beskrivning på vilka komponenter som skulle finnas med och ett förslag på hur de kunde placeras samt inom vilka spann dimensionerna skulle vara. Det var här de marginellt acceptabla värdena samt målvärden formulerades. Ur dessa skapades en målspecifikation, vilken är sammanställd i tabell 8.
Tabell 8 Målspecifikationer
Bredd Så låg som möjligt, max 10mm
Ytterdiameter (där fälg tar vid) 590mm
Innerdiameter Så stor som möjligt, minst 400mm
Viktkrav Väga så lite som möjligt
Lastkrav Ett hjul ska hålla för en last på 150kg
Hastighet Kommer för jämnan att snurra i 25km/h, men ska
hålla för att gå upp till 50km/h
Modularitet Samma design för fram- och bakhjul, med
undantag för placering av fäste
Information om mekaniken som tillkom under arbetes gång
Info gällande mekaniska komponenter som tillkom författaren av både uppdragsgivare och tillverkare av sagda komponenter.
4.2.1. Motor
För att välja rätt motor krävs att den är av lämplig styrka och är tillräckligt liten för att passa in som fysiskt element i designen. Nedan presenteras alla motorer som övervägdes. Motor A har mått enligt figur 10:A och har nominellt varvtal på 8230 rpm. Motor B har mått enligt figur 10:B och har
nominellt varvtal på 3270. Motor C har mått enligt figur 10:C och har nominellt varvtal på 5170 rpm. Nominellt varvtal är det varvtalet motorn har utan hänsyn till yttre omständigheter, så som motstånd. Samtliga mått är angivna i millimeter (mm).
23
4.2.2. Kugghjul
Enligt två leverantörer, Leverantör A och B, krävs att interna kugghjulet har 20mm material mellan kuggbotten och ytterdiameter. För ett så stort kugghjul krävs även 20 bredd. Detta ger då ett kugghjul med ytterdiameter på 585mm och 272 kuggar med modul 2. Detta är en faktor som måste tas i beaktning vid drivlinans utformning.
4.2.3. Lager
Från början var tanken att använda ett enda lager runt hela hjulet, men liksom Sbarro (Šotola, et al., 2018) visade sig det bli för tungt och för dyrt. Efterforskningar på om det skulle gå att genomföra gjordes genom att kontakta två olika återförsäljare av lager, vilka båda gav nekande svar på frågan om det gick att lösa. I stället valde teamet att gå vidare med en lösning av tre mindre kullager likt Lew (1993).
Aktuellt läge på företaget
Nedan presenteras data insamlad gällande företagets metod för produktutveckling.
4.3.1. Orsak till projektets uppkomst
Upphovspersonen bakom idén till elcykeln upptäckte en brist i utbudet av elcyklar på marknaden- det var helt enkelt ingen som var tillräckligt intressant. Lösningen på det blev att med hjälp av ett team utveckla en egen cykel. Designteamet sammanställde en lista med fel över dagens elcyklar och kom fram till följande:
• Elcykeln är i de flesta fall bara en cykel med elmotor ditsatt. Är det optimalt? Går det
att designa den annorlunda om den byggs för att vara en elcykel från början?
• Elcykeln är ett fordon som färdas i 25km/h och saknar i regel utrustning som skulle
förbättra trafiksäkerheten, så som blinkers och ordentligt lyse samt backspegel.
• När designteamet undersökte marknaden för elcyklar ansåg de alla att det inte fanns
någon som var särskilt estetiskt tilltalande.
4.3.2. Förlopp av prototyper
När en ungefärlig ritning var färdig byggdes en realistisk prototyp som såg ut som en riktig produkt men som inte var funktionell. Denna modell utvärderades och utifrån detta skapades en ny digital modell i SolidWorks med rätt dimensioner. Efter detta byggdes en ny fysisk modell, men denna gång i utan målsättning att få ett realistiskt utseende, endast måtten och dimensionerna skulle testas. Modellen utvärderades och efter detta tillverkades samtliga delar i sitt tänkta material och en funktionell beta-prototyp var snart efter detta färdig. Under arbetets gång har löpande konkurrentanalyser utförts.
För att beskriva projektets utvecklingsprocess kan de olika prototyperna användas till att förklara:
1. Digital skiss. En idé beskriven med bilder och förklarande text. Ett problem
(kundbehov) identifieras och cykeln designas med särskilda egenskaper för att
uppfylla behoven.
2. Digital prototyp, icke funktionell.
3. Fysisk realistisk modell, icke funktionell
4. Digital prototyp, funktionell
5. Fysisk skissmodell, rätt dimensioner
6. Fysisk mockup, funktionell
7. Fysisk funktionell prototyp, Alfa-prototyp
Alla digitala prototyper som tillverkats testades med AR för att bedöma form och utseende. När den digitala prototypen med rätt detljgeometri är färdig är det dags att bygga den Beta-prototypen.
