Vibrationsdämpat maskinhus för skjutstativtruck
Robin Bruder
Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling
Maskinkonstruktion
Examensarbete
LIU-IEI-TEK-A--14/01938--SE
Vibrationsdämpat maskinhus för skjutstativtruck
Vibration absorbent cabin on reach truck
Robin Bruder
2014-06-16
Handledare vid LIU: Simon Schütte
Examinator vid LIU: Micael Derelöv
Handledare på företaget: Oscar Ewenson
Examensarbete LIU-IEI-TEK-A--14/01938--SE
Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling
Sammanfattning
En skjutstativtruck är en truck med hög acceleration och den aktuella modellen kan köras i hastigheter upp till 14 km/h. När trucken framförs på ojämna underlag, exempelvis slitna industrigolv, fortplantas vibrationer från underlaget genom chassit till maskinhuset. Dessa vibrationer orsakar spänningsökningar och slitage på delarna i maskinhuset och påverkar föraren negativt. För att förbättra miljön för föraren och truckens komponenter ska möjligheten till ett vibrationsdämpat maskinhus undersökas och ett koncept på en möjlig lösning genereras. För att validera att lösningen reducerar vibrationerna som fortplantas från chassit till maskinhuset konstrueras en förenklad prototyp.
Projektet har delats upp i olika konceptfaser med enskilda mål. Efter att ett slutgiltigt koncept valts, utvecklas konceptet vidare tills alla ingående delar är modellerade eller valda och en detaljerad layout är specificerad med ritningsunderlag. Därefter påbörjas prototypkonstruktion och produktion.
Det slutgiltiga konceptet använder tvådelade gummielement för att separera chassiplattan och maskinhuset. Hålbilden på chassiplattan måste ändras för att möta den modifiering som krävs för att konceptet ska kunna implementeras. För att fästa maskinhuset till gummielementen används liknande plåtar som i dagens konstruktion. Gummielementen är specificerade med en maximal belastning på 260 kg styck och på grund av de lyft som förekommer vid en del servicefall måste lyftlås implementeras till konstruktionen för att säkerställa att konstruktionen håller. Implementeringen av konceptet skulle innebära en viktökning med 1,845 kg vilket motsvarar 0,369 % av vikten av maskinhuset med föraren inkluderad. Inköpskostnaden för gummielementen är 525,8 kr/truck enligt den prismodell som finns idag.
Testet av prototypen visar att konceptet har god förmåga att reducera vibrationer med frekvenser över 400 Hz vid körning utan hinder. När konceptet testas på ett hinder i form av ett plattjärn blir resultatet från mätningen otydligt och ingen generell slutsats kan dras.
Arbetet efter examensarbetet bör gå vidare med noggrannare analyser av hållfasthet samt tester av en fullskalig prototyp och hur gummit i dämparna påverkas av tid och klimat innan konceptet kan tas i bruk.
Abstract
A reach truck is a forklift truck with high acceleration and the model of interest has a maximum speed of 14 km per hour. When the reach truck is driven on patchy surfaces, for example rough industrial floors, vibrations are propagated from the floor, through the chassis, to the cabin. These vibrations cause an increase of stress and abrasion on the cabin parts and affect the driver in a negative way. To improve the environment for the driver and the components of the reach truck, the potential of a vibration absorbent cabin will be investigated and a possible solution presented. To validate that the solution reduces the vibrations that propagates from the chassis to the cabin is a simplified prototype constructed.
The project has been divided into different concept phases with individual goals. After a final concept has been chosen, it will be developed further until all parts are modeled or chosen and a detailed layout is specified with blueprints. Thereafter construction and production of a prototype will begin.
The final concept uses two-parted rubber dampers to separate the motor plate and the cabin. The hole pattern of the motor plate must be changed to answer to the modification demanded by the implementation of the concept. To attach the cabin to the rubber dampers, similar plates are used as in the construction today. The rubber dampers are specified for a maximal load of 260 kg each, so because of the lifting of some service cases, lifting locks must be implemented to make sure that the concept will withstand the load. The implementation of the concept would result in an increased total weight of 1.845 kg, which corresponds to 0.369 % of the total weight of the cabin, driver included. The cost of purchasing the rubber dampers is 525.8 SEK/truck according to the current price model.
The test of the prototype without obstacles shows that the concept has a high capability of reducing vibrations with frequencies above 400 Hz. When the concept is tested with a flat iron bar obstacle, the result is unclear and no general conclusion can be drawn.
After the thesis, work should continue with more detailed stress analyzes and tests of a full-scale prototype as well as how the rubber dampers are affected by time or different climates before the concept can be taken into use.
Förord
Detta examensarbete är den avslutande delen för min utbildning på civilingenjörsprogrammet i maskinteknik på den tekniska fakulteten vid Linköpings Universitet och omfattar 30 högskole-poäng. Jag vill tacka alla som varit inblandade och bidragit med sin kunskap men framförallt vill jag tacka följande:
Örjan Birgersson Bollplank och kurskamrat
Oscar Ewenson Handledare på företaget
Lars Johansson Docent i mekanik, Linköpings Universitet Simon Schütte Handledare, Linköpings Universitet Johanna Westerlund Korrekturläsare
Linköping, 2014-06-16
Innehållsförteckning
1 INLEDNING ... 1 1.1 BAKGRUND ... 1 1.2 PROBLEMBESKRIVNING ... 1 1.3 SYFTE ... 1 1.4 MÅL ... 1 1.5 AVGRÄNSNINGAR ... 2 1.6 FÖRETAGSBESKRIVNING ... 2 1.7 DISPOSITION ... 2 2 TEORETISK REFERENSRAM ... 3 2.1 VIBRATIONER ... 32.2 HÄLSORISKER VID EXPONERING FÖR HELKROPPSVIBRATIONER ... 3
2.3 MÄTNING AV VIBRATIONER ... 4
2.4 DÄMPNINGSFÖRHÅLLANDE ... 4
2.5 FINITA ELEMENT METODEN ... 4
2.6 ORDINÄRA DIFFERENTIALEKVATIONER... 5 3 PROBLEMGRANSKNING ... 6 3.1 NUVARANDE KONSTRUKTION ... 6 3.1.1 Montering ... 7 3.1.2 Koordinatsystem ... 7 3.2 VIBRATIONER I TRUCKEN ... 8 4 METOD ... 9 4.1 BENCHMARKING ... 9
4.2 QUALITY FUNCTION DEPLOYMENT ... 9
4.2.1 Voice of the Customer ... 10
4.2.2 House of Quality ... 10 4.2.3 Kravspecifikation ... 11 4.3 IDÉGENERERING ... 11 4.3.1 Morfologisk matris ... 11 4.3.2 Brainstorming ... 11 4.3.3 6-3-5-metoden ... 11 4.4 UTVÄRDERING ... 12
4.4.1 Basic Decision Matrix ... 12
4.4.2 Slutgiltigt val ... 12
4.5 KONCEPTFRAMTAGNING ... 13
4.6 ANALYS AV AMPLITUD OCH ACCELERATION ... 13
4.7 VIDAREUTVECKLING ... 13
5 RESULTAT ... 14
5.1 BENCHMARKING ... 14
5.2 QUALITY FUNCTION DEPLOYMENT ... 15
5.2.1 Kravspecifikation ... 15
5.3 IDÉGENERERING ... 16
5.3.1 Morfologisk matris ... 16
5.3.2 Morfologisk matris efter urval ... 18
5.3.3 Idéer på lösningar ... 19 5.4 UTVÄRDERING AV IDÉER ... 19 5.5 KONCEPTFRAMTAGNING ... 20 5.5.1 Koncept A ... 20 5.5.2 Koncept B ... 20 5.5.3 Koncept C ... 21 5.5.4 Koncept D ... 22 5.5.5 Koncept E ... 22
5.6 ANALYS AV AMPLITUD OCH ACCELERATION ... 23
5.6.2 Implementation i Matlab ... 25 5.6.3 Nuvarande konstruktion ... 27 5.6.4 Gummielement... 28 5.6.5 Fjäder-dämparsystem ... 32 5.6.6 Tallriksfjädrar ... 34 5.7 UTVÄRDERING AV KONCEPT ... 37
5.7.1 Basic Decision Matrix ... 37
5.7.2 Slutgiltigt val ... 38
5.8 VIDAREUTVECKLING ... 39
5.8.1 Ökning av radie vid maximal deformation ... 39
5.8.2 Implementering i trucken ... 40
5.8.3 Spänningsanalys med FEM ... 43
5.9 DETALJERAD LAYOUT ... 46
5.9.1 Inköpskostnad ... 47
5.9.2 Viktförändring ... 47
5.9.3 Ritningar ... 48
5.10 FUNKTIONSPROTOTYP ... 49
5.10.1 Mätning 1 – utan hinder ... 51
5.10.2 Mätning 2 – med hinder ... 52
6 SLUTSATS ... 55
6.1 REKOMMENDATIONER ... 55
7 DISKUSSION ... 56
8 REFERENSER ... 59
Figurförteckning
FIGUR 1–EN SKJUTSTATIVTRUCK AV TYPEN RRE. ... 1
FIGUR 2–INFÄSTNINGSPLÅTARNA SOM SITTER SVETSADE I MASKINHUSET. ... 6
FIGUR 3–INFÄSTNINGEN MELLAN MASKINHUS OCH CHASSI SKER MED SJU STYCKEN M16-SKRUVAR. ... 6
FIGUR 4–MASKINHUSET MONTERAT PÅ CHASSIT. ... 7
FIGUR 5–TRUCKEN SEDD FRÅN SIDAN MED KOORDINATAXLAR. ... 7
FIGUR 6–TRUCKEN SEDD OVANIFRÅN MED KOORDINATAXLAR. ... 8
FIGUR 7–UTVECKLINGSARBETETS STRUKTUR. ... 9
FIGUR 8–EN SCHEMATISK SKISS AV EN HOQ-MATRIS. ... 10
FIGUR 9–EN SCHEMATISK SKISS AV EN BDM. ... 12
FIGUR 10–ANSLAGSDÄMPARE TYP A.[19] ... 14
FIGUR 11–ANSLAGSDÄMPARE TYP C.[20] ... 14
FIGUR 12–EH-DÄMPARE.[21] ... 14
FIGUR 13–BSB-DÄMPARE I GENOMSKÄRNING.[18] ... 14
FIGUR 14–KONCEPT A MED TVÅ GUMMIDÄMPARE PÅ VARDERA SIDAN. ... 20
FIGUR 15–KONCEPT B MED TVÅ FJÄDRAR OCH TVÅ DÄMPARE PÅ VARDERA SIDAN SAMT TRE LYFTLÅS. ... 21
FIGUR 16–EN TALLRIKSFJÄDER I GENOMSKÄRNING. ... 21
FIGUR 17–KONCEPT C SOM MONTERAS MED STÅLDISTANSER OCH TALLRIKSFJÄDRAR. ... 22
FIGUR 18–KONCEPT D ANVÄNDER ETT GJUTGODS MED EN ROTERANDE LED PÅ ENA SIDAN. ... 22
FIGUR 19–KONCEPT E SOM ANVÄNDER SIG AV ETT FORMLÅS ISTÄLLET FÖR SKRUVAR SOM KONCEPT B. ... 23
FIGUR 20–EN APPROXIMATION AV SKJUTSTATIVTRUCKEN NÄR DEN RÖR SIG LÄNGS BANAN F(X). ... 23
FIGUR 21–APPROXIMATIONEN AV GOLVET SOM TRUCKEN FRAMFÖRS PÅ. ... 24
FIGUR 22–FRILÄGGNING AV MASKINHUSET. ... 24
FIGUR 23–FUNKTIONEN FÖR UNDERLAGET OCH HINDRET SOM BÖRJAR EFTER 50 MS. ... 26
FIGUR 24–LÄNGDEN PÅ STÅLDISTANSEN SOM FUNKTION AV TIDEN. ... 27
FIGUR 25–MASKINHUSETS ABSOLUTA POSITION I Z-LED. ... 27
FIGUR 26–MASKINHUSETS ACCELERATION NÄR STÅLDISTANSER SIMULERAS. ... 28
FIGUR 27–DIAGRAM FÖR AVLÄSNING AV DEN STATISKA NEDBÖJNINGEN FÖR GUMMIELEMENTET.[24] ... 29
FIGUR 28–GUMMIELEMENTETS LÄNGD SOM FUNKTION AV TIDEN. ... 30
FIGUR 29–LÄGET I Z-LED SOM FUNKTION AV TIDEN. ... 30
FIGUR 30–MASKINHUSETS ACCELERATION SOM FUNKTION AV TIDEN ... 31
FIGUR 31–FJÄDERNS LÄNGD SOM FUNKTION AV TIDEN... 32
FIGUR 32–MASKINHUSETS ABSOLUTA LÄGE I Z-LED. ... 33
FIGUR 33–ACCELERATIONEN FÖR SVÄNGNINGEN. ... 33
FIGUR 34–LÄNGDEN FÖR SYSTEMET MED TALLRIKSFJÄDRAR SOM FUNKTION AV TIDEN. ... 35
FIGUR 35–MASKINHUSETS POSITION I Z-LED NÄR TALLRIKSFJÄDRAR ANVÄNDS. ... 36
FIGUR 36–MASKINHUSETS ACCELERATION NÄR TALLRIKSFJÄDRAR ANVÄNDS. ... 36
FIGUR 37–TVÄRSNITTET AV ETT OBELASTAT GUMMIELEMENT. ... 39
FIGUR 38–TVÄRSNITTET AV ETT BELASTAT GUMMIELEMENT. ... 40
FIGUR 39–MODIFIERINGEN AV PLÅTARNA I MASKINHUSET DÄR NR.2&3 ÄR DE NYA VARIANTERNA. ... 41
FIGUR 40–MODIFIERINGEN AV STÖDETS POSITION PÅ PLÅTEN I MASKINHUSETS FRAMKANT. ... 41
FIGUR 41–SIDOPLÅTARNA KAPAS EFTER VÅGEN I NEDERKANT. ... 42
FIGUR 42–DEN NYA CHASSIPLATTAN VISAS ÖVERST OCH DEN NUVARANDE CHASSIPLATTAN VISAS UNDERST. ... 42
FIGUR 43–DEN GAMLA FLÄKTPLÅTEN VISAS TILL VÄNSTER OCH DEN NYA TILL HÖGER. ... 42
FIGUR 44–GUMMIELEMENTET MED 22 MM MIDJA VISAS TILL VÄNSTER OCH MED 12 MM MIDJA TILL HÖGER. ... 43
FIGUR 45–DET GAMLA STÖDET VISAS TILL VÄNSTER OCH DET NYA TILL HÖGER. ... 43
FIGUR 46–DEN ENA INFÄSTNINGSPLÅTEN MED DE SMÅ EXTRUDES DÄR KRAFTER APPLICERAS. ... 44
FIGUR 47–DE BÅDA INFÄSTNINGSPLÅTARNA MED DEN NYA HÅLBILDEN. ... 44
FIGUR 48–PLÅTEN UNDER FÖRAREN NÄR DEN UTSÄTTS FÖR LAST UNDERIFRÅN. ... 44
FIGUR 49–INFÄSTNINGSPLÅTEN UNDER FÖRAREN NÄR DEN UTSÄTTS FÖR KRAFT OVANIFRÅN. ... 45
FIGUR 50–PLÅTEN I FRAMKANT NÄR KRAFTEN VERKAR UNDERIFRÅN. ... 45
FIGUR 51–INFÄSTNINGSPLÅTEN I FRAMKANT NÄR KRAFTEN VERKAR OVANIFRÅN. ... 45
FIGUR 52–INFÄSTNINGSPLÅTEN UNDER FÖRAREN I DET SLUTGILTIGA KONCEPTET MED ARTIKELNUMMER. ... 46
FIGUR 53–PLÅTEN I MASKINHUSETS FRAMKANT I DET SLUTGILTIGA KONCEPTET MED ARTIKELNUMMER. ... 46
FIGUR 55–PROTOTYPEN SOM ANVÄNDS I TESTET. ... 49
FIGUR 56–EN LÅGLYFTSTRUCK MED PROTOTYPEN FASTSVETSAD PÅ GAFFLARNA. ... 49
FIGUR 57–PLATTJÄRNET SOM ÄR FASTSKRUVAT I GOLVET. ... 50
FIGUR 58–EN ACCELEROMETER PLACERAS PÅ BOTTENPLATTAN OCH EN PÅ LASTPLATTAN. ... 50
FIGUR 59–VIKTER MED EN MASSA PÅ 355 KG SITTER FASTSVETSAD PÅ LASTPLATTAN. ... 50
FIGUR 60–MÄTDATA UNDER UNGEFÄR SEX SEKUNDER FRÅN DEN FÖRSTA MÄTNINGEN. ... 51
FIGUR 61–AMPLITUDSPEKTRUM FRÅN MÄTNING 1 NÄR MÄTVÄRDENA DELAS IN I RESPEKTIVE FREKVENS... 52
FIGUR 62–MÄTNINGEN NÄR TRUCKEN KÖRS ÖVER HINDRET TIO GÅNGER. ... 52
FIGUR 63–FÖRSTORING AV TOPP TRE OCH FYRA FRÅN FIGUR 62. ... 53
FIGUR 64–AMPLITUDSPEKTRUM FÖR BOTTENPLATTAN MED TIO LINJER, EN FÖR VARJE KÖRNING. ... 53
FIGUR 65–AMPLITUDSPEKTRUM FÖR DEN DÄMPADE LASTPLATTAN FÖR DE TIO KÖRNINGARNA. ... 54
Tabellförteckning
TABELL 1–ETT ENKELT EXEMPEL PÅ DEN OMFORMULERANDE OCH AVSLUTANDE DELEN AV EN VOCT. ... 10
TABELL 2–KUNDKRAVENS OCH DE FUNKTIONSBESTÄMMANDE KRAVENS OLIKA VIKT, IDENTIFIERAT FRÅN HOQ. ... 15
TABELL 3–LISTAN MED DE KRAV SOM FINNS PÅ LÖSNINGEN. ... 16
TABELL 4–DEN MORFOLOGISKA MATRISEN FÖR VIBRATIONSDÄMPNING AV MASKINHUSET. ... 17
TABELL 5–MORFOLOGISKA MATRISEN EFTER ATT OLÄMPLIGA MEDEL UTESLUTITS. ... 19
TABELL 6–RESULTATET FRÅN UTVÄRDERINGEN AV IDÉERNA ... 19
TABELL 7–VIBRATIONERNAS AMPLITUD OCH ACCELERATION MED VARIERANDE DÄMPNINGSFÖRHÅLLANDE. ... 28
TABELL 8–DATA FÖR GUMMIELEMENTET ANGIVET AV TILLVERKAREN [21]. ... 29
TABELL 9–UNDERSÖKNING AV DÄMPNINGSFÖRHÅLLANDETS PÅVERKAN PÅ AMPLITUDEN OCH ACCELERATIONEN... 31
TABELL 10–DATA FÖR SPIRALFJÄDERN.[26] ... 32
TABELL 11–RESULTATET FRÅN ANALYSEN AV FJÄDER-DÄMPARSYSTEMET MED VARIERANDE DÄMPNINGSFÖRHÅLLANDE. .... 34
TABELL 12–TALLRIKSFJÄDRARNAS SPECIFIKATION.[27] ... 34
TABELL 13–RESULTATET FRÅN ANALYSEN NÄR TALLRIKSFJÄDRAR ANVÄNDS. ... 37
TABELL 14–DE OLIKA KONCEPTENS PRESTATION FÖR DE OLIKA KRAVEN. ... 37
TABELL 15–BESLUTSMATRISEN FÖR KONCEPTUTVÄRDERINGEN. ... 38
TABELL 16–DE INGÅENDE DETALJERNA I DEN DETALJERADE LAYOUTEN. ... 47
TABELL 17–KOSTNADSKALKYL FÖR INKÖP AV GUMMIELEMENT. ... 47
Inledning
1
Inledning
1.1
Bakgrund
En skjutstativtruck är en truck med hög acceleration som passar för horisontella transporter och stapling, exempelvis i lager. Skjutstativtrucken finns i olika modeller med lyfthöjder upp till 12,5 meter och lastkapaciteter från 1,4 till 2,5 ton. Skjutstativtrucken drivs av AC-motorer och erbjuds med optioner som till exempel tiltande hytt (Ergo) eller sluten, uppvärmd hytt för att passa bland annat i fryshuslager. Ett exempel på skjutstativtruck kan ses i Figur 1.
Figur 1 – En skjutstativtruck av typen RRE.
Skjutstativtruckar kan framföras i upp till 14 km/h och maskinhuset väger ungefär 350 kg exklusive förare i sitt öppna utförande. I maskinhuset sitter bland annat elektronik och komponenter för att styra både trucken och gafflarna.
1.2
Problembeskrivning
Då trucken körs i utsatta miljöer under långa arbetspass på slitna golv, slits både föraren och truckens komponenter eftersom att vibrationer och skakningar fortplantas upp i maskinhuset från truckens chassi. För att göra miljön för föraren och truckens komponenter mera skonsam är ett vibrationsdämpat maskinhus önskvärt.
1.3
Syfte
Syftet med examensarbetet är att undersöka vilka möjligheter som finns att dämpa de vibra-tioner som fortplantas upp i maskinhuset på en skjutstativtruck från truckens chassi. Ett vibrationsdämpat maskinhus är önskvärt för att förbättra miljön för truckens förare och dess komponenter och syftet med examensarbetet är även att presentera möjliga lösningar som minskar vibrationerna.
1.4
Mål
Examensarbetet ska resultera i ett koncept som reducerar vibrationerna i maskinhuset och ritningsunderlag för delarna som ska tillverkas. En förenklad funktionsprototyp ska tas fram för att kunna testa konstruktionen och verifiera konceptets förmåga att reducera vibrationerna i maskinhuset.
1.5
Avgränsningar
Projektet avser att utveckla ett koncept för att vibrationsdämpa maskinhuset för en skjut-stativtruck utan hyttoptioner. Det är gränssnittet mellan maskinhuset och chassit som kommer undersökas för skjutstativtruckar av modellen RRE (Reach truck, Rider seated, Electrically powered). Med vibration avses, i detta examensarbete, den stötliknande acceleration som ojämnheterna i golvet ger upphov till hos maskinhusets komponenter.
Med koncept avses en CAD-modell i Catia V5 som visar lösningsprincipen och de ingående delarna. Den konceptflora som genereras fram under arbetet ska utvärderas utifrån dess förmåga att dämpa vibrationer, antal artiklar, produktionskomplexitet och robusthet. Konceptens förmåga att dämpa ut vibrationer beräknas med hjälp av förenklade beräknings-modeller för svängningar, som presenteras av Meriam & Kraige [1]. Det innebär att mer noggranna beräkningar, analys av frekvenser och hur frekvenserna fortplantas i trucken kommer att behöva genomföras innan konceptet kan tas i bruk. Det slutgiltigt valda konceptet ska presenteras i form av ritningsunderlag som ska användas vid prototyptillverkning.
Begränsningar för projektet är att den totala höjden på trucken inte får ökas, att inte yttermåtten för maskinhuset får ändras samt att övriga komponenter ska få plats.
1.6
Företagsbeskrivning
Företaget grundades år 1946 med en verkstad i Ulvsunda i Bromma och den första lyftvagnen tillverkades under 1948. Tillverkningen av lyftvagnar flyttades under 1952 till Mjölby där företaget senare började exportera manuella staplare. Dagens verkstad invigdes i Mjölby år 1968 och certifierades enligt ISO 14001 under 1997 för framstående miljöledningsarbete. År 2000 förvärvades företaget av en stor koncern, i vilken det idag ingår.
Materialhanteringsdivisionen, som är en del av den stora koncernen, hade under räkenskaps-året 2012 (1 april 2011 – 31 mars 2012) en nettoomsättning på ca € 5,2 miljarder och är organiserad i fem regioner: Europa, Japan, Nordamerika, Kina och internationell (Asien, Stillahavsområdet, Latinamerika, Mellanöstern och Afrika). Den regionala europeiska organisationen i materialhanteringsdivisionen har produktions enheter i Mjölby, Ancenis (Frankrike) och i Bologna (Italien).
Tillverkningen sker enligt produktionssystemet TPS som använder sig av ”just-in-time”-produktion, vilket innebär att all tillverkning kopplas till verklig marknadsefterfrågan. Just-in-time-processen bygger på att lagringskostnader kan minimeras genom att delar finns på plats vid den tidpunkt de behövs. Andra TPS-principer är ”Jidoka”, som bygger in kvalitetskontroller i varje steg i produktionsprocessen samt ”Kaizen”, som betyder ständiga förbättringar och innebär att ingen process någonsin kan bli helt perfekt.
1.7
Disposition
Den här rapporten behandlar utvecklingsarbetet för att generera ett koncept som ska reducera vibrationerna i maskinhuset på en skjutstativtruck. Först beskrivs den nuvarande lösningen som finns för att montera maskinhuset på chassit och sedan redovisas hur arbetet med projektet genomförts i metodkapitlet, till exempel idégenerering och hur beslut har fattats. Resultaten från metoderna presenteras sedan i avsnittet resultat där det slutgiltigt valda konceptet beskrivs i delkapitlet detaljerad layout. Efter resultatet följer avsnitt om prototypen, slutsats och diskussion kring arbetet. Sist i rapporten finns referenser och bilagor.
Teoretisk referensram
2
Teoretisk referensram
2.1
Vibrationer
En svängande gitarrsträng, tidvattnets rörelse och en svängande rörelse hos en pendel är alla exempel på vibrationer. Vibrationer kan definieras som svängningar av ett system runt en jämviktsposition och kan betraktas som en rörelse som upprepar sig själv efter ett tidsintervall. Vibrationer kan beskrivas med parametrar som till exempel amplitud, period och frekvens. Amplituden är den maximala förskjutningen från jämviktsläget, perioden är tiden för en komplett cykel och frekvensen är antalet cykler per tidsenhet. [2]
Det finns två typer av vibrationer, fri och påtvingad vibration. När ett system svänger på grund av interna krafter i själva systemet kallas rörelsen för fri vibration och när periodiska krafter verkar på systemet utifrån sker påtvingad vibration [2]. En truck som kör över en tröskel är ett exempel på en vibration som initieras av en extern kraft men sedan får svänga utan påverkan av externa periodiska krafter. Fria vibrationer sker på en eller flera av systemets egenvinkelfrekvenser [2].
Amplituden för vibrationen påverkas av storleken på krafterna som dämpar vibrationen och ur en energisynpunkt kan vibrationerna definieras som ett fenomen som alternerar mellan potentiell- och rörelseenergi. Vibrationer utan dämpning kallas för odämpade men realistiskt sett är alla vibrationer dämpade i någon utsträckning på grund av friktion. Dämpningen gör att den fria vibrationens amplitud gradvis minskar tills rörelsen tar slut eller att den påtvingade vibrationen begränsas så länge som den periodiska kraften verkar. [2]
2.2
Hälsorisker vid exponering för helkroppsvibrationer
Helkroppsvibrationer förekommer när hela kroppen utsätts för vibrationer, t.ex. när någon sitter på en stol som vibrerar eller när någon står på ett vibrerande golv [3]. Exempel på applikationer där exponering för helkroppsvibrationer förekommer är truckar, skogs- och entreprenadmaskiner, lastbilar och helikoptrar [4]. Ca 300 000 anställda i Sverige, utsätts regelbundet för helkroppsvibrationer och SCB:s arbetsmiljöundersökning visade år 2009 att två procent av alla kvinnor och tolv procent av alla män exponerades för helkroppsvibrationer under minst en fjärdedel av sin arbetstid [3]. Enligt Folkhälsoguiden har andelen som utsätts för helkroppsvibrationer ökat med 15 % från 1997 till år 2007 och att det år 2005 uppskattades vara riskabla vibrationsnivåer i ca 28 % av de undersökta fordonen [4].
Enligt Folkhälsoguiden finns ökad risk för bland annat ländryggsbesvär, ryggbesvär där smärta strålar ut i benen, besvär från nacke och skuldra samt rörelsesjuka vid exponering för helkroppsvibrationer [4]. Arbetsmiljöverket skriver att vibrationer som överförs till människo-kroppen kan förstärkas i olika kroppsdelar och organ, vilket kan ge upphov till töjningar och hopdragningar av vävnader i kroppen [5]. Graden av töjningar och hopdragningar varierar, beroende på vibrationernas intensitet, frekvens och riktning. Vidare menar de båda att det vetenskapliga underlaget är svagt och att helkroppsvibrationer som ensam faktor för skador inte utretts tillräckligt.
På grund av den ökade exponeringen och den negativa effekten på människans hälsa uppmanas arbetstagare och arbetsgivare att ifrågasätta om arbetet kan utföras med andra fordon eller maskiner som vibrerar mindre eller har fjärrstyrning [4]. Vibrationerna bör därför beaktas i konstruktionsarbetet, för att skapa en mer hälsosam arbetsmiljö vilket ger en marknadsfördel.
2.3
Mätning av vibrationer
För att mäta vibrationer används en accelerometer som fästs mot den vibrerande enheten och en dator som samlar in mätdata från accelerometern. Accelerometern fungerar som en massa som sitter på en fjäder inuti ett hölje. Massans avvikelse från jämviktsläget mäts när massan rör sig på grund av att accelerometern vibrerar. I piezoelektriska-, piezoresistiva- och kapacitiva accelerometrar, som är vanliga kommersiella komponenter, omvandlas avvikelsen till en elektrisk signal som sedan registreras av datorn.
Med hjälp av programvara kan sedan en graf av exempelvis accelerationen över tid visas med hjälp av signalen som accelerometern har samlat in. Signalen innehåller mätdata för accelerationens storlek för hela accelerometerns frekvensområde vid specifika tidpunkter. Vill man istället undersöka hur stor accelerationen är i specifika frekvenser kan man omvandla signalen till frekvensdomänen med hjälp av Fourier-transformation [6]. Accelerationen visas då i ett så kallat amplitudspektrum med accelerationens storlek på y-axeln och frekvensen på x-axeln.
2.4
Dämpningsförhållande
När ett systems svängningar analyseras använder man sig av ett dämpningsförhållande för att fastslå hur mycket rörelsen dämpas mellan varje svängning, som kallas period. Det är ofta något som görs experimentellt eftersom den viskösa dämpningskoefficienten, som kan användas för att beräkna dämpningsförhållandet, för de flesta fallen är okänd. För att bestämma dämpningsförhållandet experimentellt jämför man svängningens amplitud mellan två intilliggande perioder, alternativt ett bestämt antal perioder om dämpningsförhållandet är litet. Med hjälp av logaritmering av kvoten mellan amplituderna och införandet av ekvationer för svängningens dämpade egenfrekvens och period kan sedan dämpningsförhållandet, som oftast noteras med den grekiska bokstaven ζ, beräknas. [1]
2.5
Finita Element Metoden
Genom att byta ut ett komplicerat problem till ett enklare kan en approximativ lösning erhållas som är enklare att beräkna än en lösning till det ursprungliga problemet. Detta är grundtanken med Finita Element Metoden (FEM), som kan användas till att analysera exempelvis spänningar, värmeledning, strömningsmekanik samt elektriska- och magnetiska fält. [7]
FEM-analyser använder sig av ett mesh-nät genom att dela upp strukturen i ett begränsat antal små element med noder i varje hörn. De små elementen är sammankopplade i noderna och genom att beräkna till exempel förskjutningen i varje nod kan förskjutningen för systemet av elementen beräknas. Tanken med metoden är att bygga en uppsättning algebraiska ekvationer, baserad på jämvikt mellan noderna. Genom att sätta randvillkor till analysen, exempelvis genom laster och inspänningar, fås indata till analysen. Numeriska beräkningar, till exempel Gausselimination, används sedan för att erhålla en lösning. [8]
Mesh-nätets utformning kan delas in i tre olika klasser: strukturerad, ostrukturerad eller mixad mesh. En strukturerad mesh kan liknas med ett rutnät där elementen vanligvis är fyrsidiga i en 2D-analys respektive formade som ett rätblock i 3D. En ostrukturerad mesh är mer flexibel än en strukturerad mesh och elementen består vanligtvis av triangelformade element i 2D och tetraedrar i tre dimensioner. En mixad mesh består av strukturerade element på regelbundna delar av detaljen medan ostrukturerade element appliceras vid komplexa regioner, t.ex. vid hål eller andra områden som behöver undersökas noggrant. [9]
Teoretisk referensram Om ett mesh-nät med många element används kan metoden bli mycket räknetung, då antalet noder ökar med fler element. Men med ett finare mesh-nät (fler element) ökar också noggrannheten på lösningen, dvs. modellen som beräknas är mer lik verkligheten. För att utföra beräkningarna och för att presentera resultatet grafiskt är det idag vanligt att använda sig av anpassad mjukvara för datorer. [8]
I CAD-programmet Catia finns en workbench, Generative structural analysis, för att analysera en struktur som modellerats genom att använda FEM. Ett överskådligt resultat för exempelvis spänningsfördelningen kan då presenteras som ger konstruktören en idé om problemområden i modellen och hur stora spänningar som uppstår i konstruktionen.
2.6
Ordinära differentialekvationer
Om en eller flera derivator av en okänd funktion ingår i en ekvation, kallas ekvationen för en differentialekvation. Differentialekvationer brukar delas in i två olika typer beroende på den okända funktionen: ordinära och partiella differentialekvationer. Om funktionen beror på en variabel och differentialekvationen endast består av ordinära derivator, kallas differential-ekvationen för en ordinär differentialekvation (ODE). [10]
Ett sätt att lösa ODE:er är att använda sig av Matlab och Matlabs inbyggda ODE-lösare. Den vanligaste ODE-lösaren är ode45 som baseras på en explicit Runge-Kutta formel, Dormand-Prince-metoden. Ode45 är en enstegslösare och behöver då endast lösningen för tidpunkten precis innan den nuvarande som ska beräknas. Som indata till ode45 behövs en funktionsfil där den ordinära differentialekvationen finns specificerad, start- och sluttid för simuleringen samt begynnelsevillkor för analysen. Från ODE-lösaren fås en tidsvektor och en lösningsmatris. [11]
3
Problemgranskning
3.1
Nuvarande konstruktion
I maskinhuset sitter två plåtar fastsvetsade, se Figur 2. Dessa infästningsplåtar är monterade mot chassit på trucken med hjälp av sju stycken M16-skruvar och lika många distanser, Figur 3. Fyra skruvar sitter på plåten under föraren, se den vänstra bilden i Figur 2 och tre skruvar sitter på den andra plåten, i maskinhusets framkant som visas till höger i Figur 2. Distanserna och infästningsplåtarna är tillverkade i stål. Maskinhuset monterat på chassit kan studeras närmare i Figur 4.
Figur 2 – Infästningsplåtarna som sitter svetsade i maskinhuset.
Figur 3 – Infästningen mellan maskinhus och chassi sker med sju stycken M16-skruvar. M16-skruv
med distans Infästningsplåt
Problemgranskning
Figur 4 – Maskinhuset monterat på chassit.
3.1.1
Montering
Maskinhuset monteras till viss del i ett sidmontage innan det kommer till den ordinarie monteringslinan. Väl där placeras först de sju distanserna på rätt plats på chassit, dvs. vid varsitt av de sju hål som finns borrade och gängade i chassiplattan. Därefter lyfts maskinhuset på plats ovanpå distanserna med hjälp av en travers innan de sju M16-skruvarna kan dras åt och monteringen kan fortsätta.
3.1.2
Koordinatsystem
I rapporten används termer för truckens koordinataxlar där y-axeln är i förarstolens riktning, x-axeln avser riktningen åt höger från förarstolen, mot gafflarna och z-x-axeln är lodrätt längs stativet, se Figur 5 och Figur 6.
Figur 5 – Trucken sedd från sidan med koordinataxlar.
X
Figur 6 – Trucken sedd ovanifrån med koordinataxlar.
3.2
Vibrationer i trucken
När skjutstativtrucken kör över ojämnheter i golvet, t.ex. hål eller trösklar, fortplantas vibrationer genom chassit upp i maskinhuset på trucken. Dessa plötsliga vibrationer orsakar spänningsökningar och accelerationer för komponenterna i maskinhuset. Till exempel utsätts takstolpen för accelerationer på upp till 5 g i horisontell riktning [12]. Även föraren påverkas negativt av de kraftiga vibrationerna eftersom att förarstolen sitter monterad i maskinhuset med en ökad risk för nack- och ryggbesvär. Det är dessa stötliknande vibrationer som examensarbetet avser begränsa för att minska påverkan på maskinhusets komponenter och föraren från ojämna underlag.
Ett test på hur maskinhuset påverkas av ojämnt underlag har genomförts av laborations-avdelningen på företaget och testet genomfördes enligt EN 1726-1: 5.11.3. Testet mäter helkroppsvibrationer på förarstolen med hjälp av en accelerometer när trucken framförs på en 25 m lång testbana med två stålplattor placerade efter 5, respektive 15 m. Stålplattorna har måtten 5x150 mm och trucken har en medelhastighet under testet på 7,2 km/h. Testbanan körs fem gånger innan ett medelvärde av accelerationerna kan beräknas, vilket resulterar i en acceleration i z-led på 0,56 m/s2 när trucken framförs på testbanan med hinder respektive en acceleration på 0,32 m/s2 när trucken framförs utan hinder. [13]
Y
X
Metod
4
Metod
Utvecklingsarbetet har följt den struktur som Liedholm föreslår i sin rapport där arbetet delas in i tre olika konceptfaser, se Figur 7. Den första konceptfasen avser att generera en krav-specifikation i form av en lista med olika krav och önskemål som gäller för konstruktionen och beskrivs i delkapitlen 4.1 och 4.2 nedan. Den andra konceptfasen beskriver hur man säker-ställer att alla lämpliga tekniska medel som kan lösa problemet beaktas. Den tredje koncept-fasen handlar om hur man väljer mellan olika koncept och tar beslut om vilken idé som ska vidareutvecklas. [14]
Figur 7 – Utvecklingsarbetets struktur.
Då det kan finnas många olika kunder till en produkt, t.ex. användaren, köparen eller serviceteknikern, är det viktigt att identifiera behov för alla dessa. Kunden som denna rapport refererar till är i första hand uppdragsgivaren till examensarbetet och även föraren av trucken.
4.1
Benchmarking
För att inspirera till möjliga lösningar och för att undvika onödigt arbete genom att uppfinna något som redan finns, kan en undersökning av befintliga vibrationsdämpare genomföras. Genom att söka på internet efter relevanta uppfinningar kan information erhållas om lösningar som fungerat både bra och dåligt. Relevanta sökområden är främst patent inom lastbilar, dumprar och skogsmaskiner men även andra typer av sökningar som kan generera idéer, till exempel leverantörer av vibrationsdämpare.
4.2
Quality Function Deployment
Att förstå problemet som ska förbättras i ett utvecklingsprojekt är en viktig grund för att konstruera en produkt av god kvalitet i rätt tid. Enligt Ullman visar undersökningar att dåligt definierade problem i ett utvecklingsprojekt står för 80 % av alla lanseringsförseningar (time-to-market delays) [15].
En metod för att lättare förstå ett designproblem i ett utvecklingsprojekt är att använda sig av Quality Function Deployment (QFD) som avser att resultera i en kravspecifikation som täcker in kundönskemålen på ett tillfredsställande sätt. QFD innehåller två större moment: en Voice of the Customer-tabell (VoCT) och ett kvalitetshus (House of Quality, HoQ). [15]
4.2.1
Voice of the Customer
Målet med tabellen är att generera funktionsbestämmande krav som är mätbara och lösnings-oberoende. I tabellen bryts kundönskemålen, som uppdragsgivaren specificerat, ner med hjälp av frågeställningarna:
Vem har problemet?
Vad är problemet? När uppstår problemet? Var sker problemet? Varför sker problemet? Hur uppstår problemet?
Därefter formuleras de nedbrutna kundönskemålen om till korta, koncisa och punktformade kundkrav som på ett tydligt sätt beskriver vad det är kunden förväntar sig. Som ett svar mot dessa kundkrav specificeras de funktionsbestämmande krav som konstruktionen måste svara mot. De funktionsbestämmande kraven anges med ett värde som de måste uppfylla och även en önskad riktning för förbättring, dvs. om mer eller mindre är önskvärt. Sist specificeras även om det funktionsbestämmande kravet härleder till ett kundkrav eller ett kundönskemål. Ett enkelt exempel visas i Tabell 1 nedan. [16]
Tabell 1 – Ett enkelt exempel på den omformulerande och avslutande delen av en VoCT.
Kundkrav Funktionsbestämmande krav Värde Enhet Önskad riktning
Hög Höjd 10 m ↑
Lätt Vikt 10 kg ↓
Smal Bredd 0,5 m ↓
4.2.2
House of Quality
För att säkerställa att de funktionsbestämmande kraven beskriver kundens behov på ett tillfredsställande sätt används ett kvalitetshus (House of Quality, HoQ). Kvalitetshuset kontrollerar att minst ett funktionsbestämmande krav korrelerar mot minst ett kundkrav genom att kravets relation till ett kundkrav specificeras som starkt, medelstarkt, svagt eller ingen relation. Kvalitetshuset kan studeras närmare i Figur 8. [15]
Metod Kvalitetshuset i Figur 8 består av sex rum och är en variant av det hus som Ullman [15] använder sig av. I det första rummet, rum nummer ett i Figur 8, beskrivs vem kunden är. I det andra rummet listas de kundkrav som identifierats i VoCT:n. Det tredje rummet innehåller den prioritering av kundkraven som kunden själv angett, där kunden fördelar ut 100 poäng på de olika kraven så att en högre poäng innebär att ett krav är mer viktigt. Fördelen med denna metod, jämfört med att sätta en siffra mellan 1 – 10, är att kunden kan jämföra de olika kraven inbördes. Det kan exempelvis ske genom frågeställningen:
Är kundkrav A viktigare än kundkrav B och i så fall, hur mycket mer?
I det fjärde rummet listas de funktionsbestämmande krav som arbetats fram genom VoCT:n och de anges med enhet, värde och önskad riktning för förbättring. I rum nummer fem anges hur stark relation ett funktionsbestämmande krav har mot varje kundkrav. Relationen anges som:
● = stark som ger nio poäng ○ = medelstark som ger tre poäng
= svag som ger en poäng
En tom ruta innebär att det inte finns något samband mellan kraven.
I det sjätte rummet beräknas vikten för varje funktionsbestämmande krav. Här kan man se vilka funktionsbestämmande krav som har störst påverkan för att svara upp mot kundkraven och dessa är därför mycket viktiga att uppnå. [15]
4.2.3
Kravspecifikation
När de funktionsbestämmande kraven svarar mot kundkraven på ett tillfredställande sätt kan de sammanställas i en lista innehållandes av funktionsbestämmande krav, enhet, värde och önskad riktning samt om det är ett krav eller ett önskemål. Detta formulerar då krav-specifikationen som produkten ska svara mot.
4.3
Idégenerering
4.3.1
Morfologisk matris
För att få en bättre förståelse för vad som behövs av konceptet och en bättre överskådlighet bryts problemet ner i ett antal delfunktioner. Genom att identifiera olika medel, som indi-viduellt löser delfunktionerna, kan dessa sedan kombineras för att skapa helhetslösningar. Dessa delfunktioner och tillhörande medel presenteras sedan i en morfologisk matris. De olika medlen utvärderas efter deras respektive rimlighet, dvs. tekniskt, ekonomiskt, ergonomiskt, miljömässigt, etc., för att underlätta beslut om vilket medel som bör användas. [17]
4.3.2
Brainstorming
Brainstorming är en typ av kreativitetsmetod som genomförs av en grupp av människor, helst med olika erfarenheter och kompetenser. Målet med metoden är att generera bra lösnings-förslag till ett utvecklingsproblem genom att kombinera och förbättra varandras idéer. Idéer som genereras kan vara i form av skisser eller korta beskrivningar och det finns i denna metod inga dåliga idéer utan strävan ska istället vara att generera många förslag. [17]
4.3.3
6-3-5-metoden
6-3-5-metoden, eller brainwriting som metoden också kallas, är en idégenereringsmetod som går ut på att sex deltagare sitter vid ett bord och under fem minuter genererar tre olika idéer på koncept. Deltagarna kan antingen skriva eller rita sina lösningar på pappret och skickar efter de fem minuterna vidare sitt papper till personen som sitter till höger. Då har varje person fem nya minuter på sig att studera koncepten på pappret, skissa vidare på dem eller skissa nya
koncept. Efter fem minuter ska de tre nya koncepten skickas vidare till nästa person. När papprena har roterat ett helt varv är övningen färdig och resultatet kan studeras. [15]
4.4
Utvärdering
För att på ett tidigt stadie kunna välja mellan de olika idéer och koncept som genererats fram och därmed undvika att spendera allt för mycket tid med att utveckla koncept som senare skrotas krävs en bra urvalsmetod. En sådan metod är en beslutsmatris (Basic Decision Matrix, BDM) som enligt Ullman är bevisat effektiv för att jämföra koncept [15]. Beslutsmatrisen används två gånger, en gång för att utvärdera de idéer som finns för att reducera vibrations-nivåerna och en andra gång för att utvärdera koncept.
4.4.1
Basic Decision Matrix
En BDM är en modell för hur man kan jämföra koncept och idéer mot en referens, ett datum. På så sätt har man hela tiden något att jämföra mot och genom att poängsätta hur bra ett koncept är på att uppfylla ett funktionsbestämmande krav får man snabbt ut en viktning av koncepten. En schematisk bild av en BDM kan ses i Figur 9. [15]
Figur 9 – En schematisk skiss av en BDM.
I ruta ett i Figur 9 ska de olika koncepten radas upp och ett datum ska sättas. Det kan t.ex. vara den lösning som redan existerar eller ett av de genererade koncepten. Steg två består av att lista de krav som finns på produkten från kravspecifikationen. Den viktning som kvalitetshuset resulterade i läggs in i ruta tre. I det fjärde steget anges om ett koncept är bättre, sämre eller lika bra som datumet på att uppfylla varje krav. Prestationerna anges enligt:
1 om konceptet är bättre än datumet 0 om konceptet är lika bra som datumet -1 om konceptet är sämre än datumet
I steg fem presenteras resultaten genom att summera prestationerna, summera antalet 1, summera antalet -1 och genom att summera prestationen med hänsyn till varje kravs specificerade vikt.
4.4.2
Slutgiltigt val
För att göra ett slutgiltigt val om vilket koncept som ska väljas och vidareutvecklas bör resultatet från BDM:en beaktas men även lösningens komplexitet och antalet ingående artiklar bör tas hänsyn till för att göra ett så välmotiverat beslut som möjligt.
Metod
4.5
Konceptframtagning
De lösningar som väljs ut från beslutsmatrisen utvecklas sedan ytterligare för att skapa mer förståelse för konceptens förmåga att lösa problemet och svara mot kraven i krav-specifikationen. Koncepten modelleras upp i CAD-programmet Catia och enklare beräkningar och analyser med FEM genomförs.
4.6
Analys av amplitud och acceleration
För att analysera med vilken amplitud och acceleration som de olika koncepten kommer att svänga med används en förenklad beräkningsmodell där fjäderkonstant och dämpnings-förhållandet ingår som indata. I beräkningsmodellen approximeras maskinhuset på trucken som ett solitt rätblock med masscentrum i mitten. Beräkningsmodellen presenteras av Meriam och Kraige och behandlar linjära fjädrar och stötdämpare där stötdämparen har syftet att begränsa vibrationerna [1].
4.7
Vidareutveckling
När ett slutgiltigt koncept eller en kombination av koncept valts för att arbeta vidare med måste alla ingående delar konstrueras i detalj så att konceptet fungerar helt. Dimensionering av komponenter ingår i vidareutvecklingen och analyser, exempelvis med hjälp av FEM är en bra metod för att analysera och motivera en konstruktion innan tillverkningsunderlag genereras.
5
Resultat
5.1
Benchmarking
Några varianter på vibrationsdämpare i form av gummielement som finns som standardartiklar visas i Figur 10 – Figur 13. Figur 13 visar en vibrationsdämpare som innehåller ett gummi-element som enligt [18] är bra när stabilitet är av stor vikt. Gummidämparna är lämpliga att ta upp axiella krafter men är sämre på att absorbera skjuvkrafter, dvs. radiellt riktade krafter.
Figur 10 – Anslagsdämpare typ A. [19] Figur 11 – Anslagsdämpare typ C. [20]
Figur 12 – EH-dämpare. [21] Figur 13 – BSB-dämpare i genomskärning. [18] De gummielement som presenterats i Figur 10 – Figur 13 skulle kunna användas som komponenter i en eventuell lösning för att vibrationsdämpa maskinhuset. Anslagsdämparna av typ A (Figur 10) och typ C (Figur 11) passar, enligt [19] och [20], bra som isolering av fläktar, elmotorer och kompressorer. EH-dämparen (Figur 12) är, enligt [21], designad främst för mobila applikationer och är dimensionerad för att klara chock-krafter. BSB-dämparen (Figur 13) har ett metallskal som skyddar gummit mot bland annat UV-strålning och är lämplig att använda i till exempel pump-applikationer och industriella fordon [18].
Patent som visar vibrationsdämpning eller fjädrande upphängning ger inspiration inför idégenereringen och visar att andra konstruktioner använder sig av bl.a. gummielement [22] samt fjädrar och dämpare [23]. Stabilisering i sidled används även för fjädrarna och dämparna [23] och är även det något som bör studeras vidare.
Resultat
5.2
Quality Function Deployment
Genereringen av funktionsbestämmande krav genom Voice of the Customer-tabellen återfinns i sin helhet i Bilaga 1. Resultatet från kvalitetshuset kan studeras i Bilaga 2, där de olika funktionsbestämmande- och kundkravens vikt resulterar enligt Tabell 2 nedan.
Tabell 2 – Kundkravens och de funktionsbestämmande kravens olika vikt, identifierat från HoQ.
Kundkrav Vikt Funktionsbestämmande krav Vikt
Förbättrad ergonomi (mot vibrationer) 16 % Höjd (truck) 4,0 %
Reducera vibrationer i maskinhuset 16 % Bredd (truck) 4,0 %
Ingen ökning av yttermåtten 10 % Längd (truck) 4,0 %
Utrymmesoptimal (i maskinhuset) 4 % Belastningsvikt tryck 24,4 %
Klara att trucken lyfts i maskinhuset 4 % Belastningsvikt drag 13,1 %
Implementeras i interfacet chassi –
maskinhus 12 % Storlek (lösning i maskinhus) 12,3 %
God upptagning av toleranser 6 % Acceleration, vibrationer 15,5 %
Dimensionerad för att klara livslängden 14 % Amplitud, vibrationer 15,5 %
Enkel konstruktion 6 % Livslängd 7,3 %
Säker 12 %
Med kundkravet ”utrymmesoptimal (i maskinhuset)” avses att konstruktionen för att reducera vibrationerna inte kan vara oändligt stor, men bör ändå innehålla alla nödvändiga komponenter. Kundkravet syftar också till smart placering av konstruktionens delar för att inte påverka de andra delarna i maskinhuset. Viss omkonstruktion kan behöva göras i maskinhuset men konceptet bör ändå vara av liten storlek. Som ett svar mot detta kundkrav uppkom ”storlek (lösning i maskinhus)” som ett funktionsbestämmande krav.
Kundkravet ”god upptagning av toleranser” avser att konstruktionen ska vara anpassad för serietillverkning och fungera trots toleranser på ingående detaljer. Tillsammans med ”enkel konstruktion” hänvisar kundkraven till att konstruktionen inte ska vara för komplex och inne-hålla allt för många detaljer samt vara tillverknings- och monteringsvänlig. Detta är krav som inte är mätbara och kommer därför att utvärderas i en diskussion på företaget.
”Höjd” avser sträckan från marken till taket på maskinhuset och ”bredd” och ”längd” avser maskinhusets innermått.
Att lösningen ska vara ”säker” syftar till att kraven på belastningsvikt i tryck och drag måste uppfyllas så att inte konstruktionen går sönder och därför inte klarar den angivna livslängden.
5.2.1
Kravspecifikation
När kvalitetshuset är ifyllt och kundkraven är väl relaterade till de funktionsbestämmande kraven är kravspecifikationen formad. Kravspecifikationen för konceptet som ska reducera vibrationsnivåerna i maskinhuset resulterar enligt Tabell 3 nedan.
Tabell 3 – Listan med de krav som finns på lösningen.
Funktionsbestämmande krav Värde Enhet Önskat värde Krav/Önskemål
Höjd (truck) 2260 mm Fixerad Krav
Bredd (truck) 1254 mm Fixerad Krav
Längd (truck) 485,1 mm Fixerad Krav
Belastningsvikt tryck 500 kg ↑ Krav
Belastningsvikt drag 1600 kg ↑ Krav
Storlek (lösning i maskinhus) 4*1,7 dm3 ↓ Önskemål
Acceleration, vibrationer 0,6 m/s2 ↓ Krav
Amplitud, vibrationer 5 mm ↓ Önskemål
Livslängd 15000 timmar ↑ Önskemål
Värdet för vibrationernas acceleration är ett medelvärde angivet från testrapporten [13] där trucken körs på en testbana och ett medelvärde av vibrationernas acceleration under testet beräknas från mätdata.
5.3
Idégenerering
5.3.1
Morfologisk matris
Genom diskussioner med handledaren på företaget identifieras underfunktionerna som krävs för att vibrationsdämpa maskinhuset i interfacet mellan maskinhuset och chassit. Under-funktionerna som identifieras är:
Vibrationsreducering
Infästning: Låsning horisontellt Infästning: Låsning vertikalt
Klämskydd i springan mellan chassit och maskinhuset
Amplitudbegränsning
För att lösningen ska dämpa vibrationerna krävs någon form av vibrationsreducering och för att maskinhuset inte ska ramla av chassit krävs att maskinhuset fästs in både horisontellt och vertikalt. Då maskinhuset måste tillåtas att svänga relativt chassit som en följd av vibrationerna krävs en springa mellan maskinhuset och chassit. I springan finns därför en eventuell klämrisk och ett klämskydd kan behövas. För riktigt kraftiga stötar kan en amplitudbegränsande funktion skydda känsliga delar från att skadas på trucken, som till exempel sidoplåtarna. Genom att identifiera olika medel som löser delfunktionerna specificeras den morfologiska matrisen enligt Tabell 4.
Resultat Tabell 4 – Den morfologiska matrisen för vibrationsdämpning av maskinhuset.
Underfunktioner Medel 1 Medel 2 Medel 3 Medel 4 Medel 5 Medel 6 Vibrations- reducering System med fjädrar och dämpare
Fjädrar Dämpare
Gummi-element Hydraul-system (aktivt) Struktur som deformeras elastiskt under nedböjningen Infästning: Låsning horisontellt Ledpinnar Skruv-förband
Magnet Formlås Klämma Kil
Infästning: Låsning vertikalt
Ledpinnar Skruv-förband
Magnet Formlås Klämma Kil
Klämskydd List
(över-täckande) Varnings-text Varnings-skylt Kompre-ssionsfog Amplitud-begränsning Mekaniskt stopp Ändläges-dämpare
Vibrationsreducering
Fördelen med fjädrar och dämpare är att de används i många andra applikationer och är bra på att dämpa vibrationer. De kan kombineras på många olika sätt och det finns olika typer av både fjädrar och dämpare. Genom olika kombinationer och antal kan storleken på lösningen anpassas för att passa in i konstruktionen.
En lösning med endast fjädrar skulle få maskinhuset att svänga under längre perioder eftersom att det inte finns någon direkt dämpande effekt. Detta skulle få maskinhuset att kännas ostabilt och användarupplevelsen skulle bli dålig. Att endast använda dämpare är inte heller lämpligt eftersom dämparen behöver någon form av fjädrande effekt för att återgå till utgångsläget. En lösning med endast dämpare bör därför inte användas.
Gummielement har både en fjädrande och dämpande effekt, kan konstrueras till kompakta lösningar och används även i andra typer av applikationer. En lösning med gummielement borde därför kunna fungera.
Ett aktivt hydraulsystem skulle kunna åstadkommas genom att ansluta till redan befintliga hydraulsystem i trucken. Lösningen är dock utrymmeskrävande, komplicerad och det blir förmodligen dyrt eftersom att det behövs, relativt de andra koncepten, många komponenter och dessutom ett styrsystem.
Genom att använda sig av en struktur som deformeras elastiskt, till exempel genom plåtar som böjs, kan priset hållas lågt och lösningen kan göras kompakt. Ett orosmoment är hur hållbar denna lösning är över tid.
Infästning: Låsning horisontellt respektive vertikalt
Principen för ledpinnar är en pinne som rör sig fritt i ett hål i axiell riktning, dvs. längs med pinnen. Den är därmed blockerad från att röra sig radiellt och kan göras liten för att minimera storleken på lösningen.
Skruvförband är ett billigt sätt att låsa något från att röra sig. Problemet med ett skruvförband är att om önskad låsriktning är radiellt skruvförbandet så låses även konstruktionen axiellt.
Att använda magneter för att låsa något från att röra sig är en osäker metod eftersom dimensioneringen av magneterna blir svår och för att ett magnetfält alstras, vilket kan påverka elektroniska komponenter i trucken.
Formlåset avser en fast konstruktion som begränsar rörelse i en viss riktning. Det skulle till exempel kunna vara en plåt som fastnar när konstruktionen rört sig tillräckligt mycket. Fördelen med ett fast formlås är att det kan göras till ett lågt pris och kompakt.
En klämma, likt en tving eller en kil skulle kunna motverka rörelser men tillförlitligheten för medlen är en nackdel.
Klämskydd
En övertäckande list motverkar klämrisken på ett effektivt sätt genom att omöjliggöra att något kommer in i springan. Listen behöver vara följsam mot kringliggande artiklar men kan anses påverka truckens estetik negativt.
En komprimerande fog har mindre påverkan på truckens estetik, då den sitter i springan mellan maskinhuset och chassit. Fogen måste, likt listen, vara följsam mot kringliggande artiklar och kan påverka truckens svängande egenskaper.
Ett enklare och billigare alternativ är att varna användaren genom text eller en skylt. Varningstexten skulle kunna skrivas i en användarmanual medan skylten bör placeras på trucken. Skylten har då stor påverkar på truckens utseende och kan uppfattas på olika sätt av olika personer.
Amplitudbegränsning
För att begränsa svängningarna hos maskinhuset relativt chassit kan ett mekaniskt stopp eller en ändlägesdämpare användas. En amplitudbegränsning kan vara bra att använda om trucken kör över någonting som orsakar en kraftig svängning, till exempel ett stort hål i golvet. För att säkerställa att inte maskinhusväggarna slår i chassit, böjs och får en bestående deformation ska stoppen begränsa svängningen på ett kontrollerat sätt och verka på komponenter som tål krafterna. Ett mekaniskt stopp är en billigare lösning än en ändlägesdämpare men en ändlägesdämpare är snällare mot konstruktionen då det inte blir en lika plötslig kollision.
5.3.2
Morfologisk matris efter urval
Utifrån motiveringarna i avsnitt 5.3.1 kan vissa medel uteslutas från den morfologiska matrisen. Det reducerar matrisen till Tabell 5 där medel som uteslutits visas med grå färg.
Resultat Tabell 5 – Morfologiska matrisen efter att olämpliga medel uteslutits.
Underfunktioner Medel 1 Medel 2 Medel 3 Medel 4 Medel 5 Medel 6 Vibrations- reducering System med fjädrar och dämpare
Fjädrar Dämpare
Gummi-element Hydraul-system (aktivt) Struktur som deformeras elastiskt under nedböjningen Infästning: Låsning horisontellt Ledpinnar Skruv-förband
Magnet Formlås Klämma Kil
Infästning: Låsning vertikalt
Ledpinnar Skruv-förband
Magnet Formlås Klämma Kil
Klämskydd List
(över-täckande) Varnings-text Varnings-skylt Kompre-ssionsfog Amplitudbegräns-ning Mekaniskt stopp Ändläges-dämpare
5.3.3
Idéer på lösningar
På brainstorming- och 6-3-5-sessionerna genererades ett antal idéer som bör reducera vibrationsnivåerna i skjutstativtrucken, se Bilaga 3. Idéerna är, i det här läget, inte fullständiga lösningar utan måste utvecklas vidare.
Idé 3, 4, 7, 8, 9, 12, 14, 16 och 20 använder ett system med fjädrar och dämpare som medel för att minska vibrationsnivåerna medan idé 1, 2, 5, 6, 10, 11, 13, 17, 18 och 19 baseras på gummielement. Eftersom att idé 2, 15 och 21 bygger på en struktur som deformeras elastiskt har alla medel för vibrationsreducering täckts av skisserna.
5.4
Utvärdering av idéer
För att besluta om vilka idéer som ska utvecklas till koncept används en BDM som kan ses i Bilaga 4. De funktionsbestämmande krav som inte kan analyseras i detta tidiga stadium får automatisk en nolla i matrisen. Resultatet från beslutsmatrisen visas i Tabell 6 där den befintliga konstruktionen används som datum.
Tabell 6 – Resultatet från utvärderingen av idéerna
Idé 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Summa 0 -1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 Antal + 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Antal - 1 2 1 0 1 1 1 1 0 1 1 Viktad summa -0,09 -0,16 0,03 0,16 -0,09 -0,09 0,03 0,03 0,16 -0,09 -0,09 Idé 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Dat. Summa -1 -2 0 -1 1 0 0 0 1 -1 0 Antal + 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 Antal - 2 3 1 2 0 1 1 1 0 2 0 Viktad summa -0,04 -0,29 0,03 -0,16 0,16 -0,09 -0,09 -0,09 0,16 -0,16 0
Generellt visar beslutsmatrisen att det bästa medlet för att reducera vibrationsnivåerna är att använda sig av ett system med fjädrar och dämpare, främst för att gummielement straffats i matrisen på grund av att en distans i stål är säkrare än gummielementet när det gäller att ta upp last vertikalt. En väl dimensionerad gummidämpare kan dock fungera väl som medel för att reducera vibrationerna och en konstruktion med gummielement kan även göras mycket kompakt. En struktur som deformeras elastiskt har generellt fått dåligt betyg när det gäller belastningsvikt vertikalt och livslängd, eftersom att utmattning kommer bli ett problem. Sämst betyg fick idé 13, då den bygger på en stor konstruktion med en elastisk länk och bäst betyg fick idé 4, 9, 16 och 20, främst för att ett system med en fjäder och en dämpare är väl beprövade i belastningsfall och antas lika bra som en distans i stål.
5.5
Konceptframtagning
För att få en bättre förståelse för de olika idéerna behöver de utvecklas och analyseras. Grundprinciper som används i konceptutvecklingen är gummielement, system med fjädrar och dämpare samt tallriksfjädrar.
5.5.1
Koncept A
Koncept A bygger på idé 10, 18 och 19 där ståldistanserna från dagens konstruktion byts ut mot gummielement. Gummielementen är tvådelade som i idé 18 men konceptet kompletteras med en invändig hylsa från idé 19. Hylsan är till för att öka åtdragningsmomentet hos skruven och för att maskinhuset på så sätt sitter bättre på plats och bättre kan motstå skjuvkrafter. Konceptet kan studeras i Figur 14.
Figur 14 – Koncept A med två gummidämpare på vardera sidan.
5.5.2
Koncept B
Koncept B kan studeras i Figur 15 och baseras på idé 9 och 16. För att dämpa ut vibrationerna används fyra spiralfjädrar och lika många hydrauliska dämpare som är monterade inuti fjädrarna. Fjäder-dämparsystemet är gängat i båda ändarna för enkel montering genom att även chassiplattan är gängad samt att en låsmutter används ovanför infästningsplåten. För att säkerställa att konceptet klarar kravet på belastningsvikt i lyft används lyftlås i form av tre M16-skruvar med distanser och brickor.
Resultat
Figur 15 – Koncept B med två fjädrar och två dämpare på vardera sidan samt tre lyftlås.
5.5.3
Koncept C
Koncept C baseras på idé 12 och 20 och använder sig av tallriksfjädrar. Fördelen med tallriks-fjädrar är att de kan ta upp stor kraft med liten nedböjning och att de finns att köpa som standardartiklar. En tallriksfjäder i genomskärning visas i Figur 16. Under infästningsplåten använder konceptet två parallella fjädrar för att kunna ta upp dubbelt så stor kraft samt tre nivåer med staplade fjädrar för att få tre gånger så stor nedböjning som för en tallriksfjäder. Ovanför infästningsplåten används två parallella fjädrar, för att konstruktionen ska klara belastningskravet i lyft. Konceptet använder sig av fyra sådana fjäderpaket, två på vardera sidan, se Figur 17.
Figur 17 – Koncept C som monteras med ståldistanser och tallriksfjädrar.
5.5.4
Koncept D
Koncept D använder sig av likadana gummielement som koncept A på ena sidan av maskin-huset medan det på andra sidan istället sitter ett gjutgods med en axel för rotation som i idé 7. Fästen för maskinhuset sitter svetsade på maskinhussidan och tillåter maskinhuset att rotera runt axeln. Gummielementen som sitter under föraren dämpar vibrationerna medan gjutgodset, som visas i Figur 18, ger stabilitet åt maskinhuset och motverkar känslan av att trucken skulle vara vinglig.
Figur 18 – Koncept D använder ett gjutgods med en roterande led på ena sidan.
5.5.5
Koncept E
Istället för de skruvar som koncept B använder sig av, har koncept E ett formlås som hindrar maskinhuset från rörelser längs chassiplattan, se Figur 19. Formlåset har även ett lock för att konceptet ska klara kravet på belastningsvikt i lyft. Koncept E använder samma fjäder-dämparsystem som koncept B och är baserad på idé 3, 9 och 16.
Resultat
Figur 19 – Koncept E som använder sig av ett formlås istället för skruvar som koncept B.
5.6
Analys av amplitud och acceleration
Skjutstativtrucken framförs på ett ojämnt underlag och maskinhuset med föraren inräknat har den totala massan av 500 kg. Trucken framförs med den konstanta hastigheten v0, som är
medelhastigheten för skjutstativtrucken i testrapporten [13]. Amplituden och accelerationen för maskinhuset när skjutstativtrucken approximeras som Figur 20 nedan, undersöks med följande beräkningsmodell.
Figur 20 – En approximation av skjutstativtrucken när den rör sig längs banan f(x).
Underlaget är höjden på golvet som funktion av avståndet x och är jämnt, dvs. höjden = 0. Detta gäller fram till ett utplacerat hinder som sticker upp 5 mm från golvet och är 115 mm långt längs truckens färdriktning. Underlaget approximeras till funktionen f(x), se Figur 21 nedan.
Figur 21 – Approximationen av golvet som trucken framförs på. Om Om ( ⁄ ) Om Om ( ⁄ ) Om
5.6.1
Friläggning av maskinhuset
Friläggningen av maskinhuset resulterar i tre krafter som verkar på maskinhuset, när luftmotståndet försummas, där är fjäderkraften och är dämpningskraften. Konstanten är höjden från upp till fjäderns och dämparens infästningspunkt. Längden på fjädern är och fjädern har ursprungslängden .
Resultat Eulers andra ekvation ger:
∑ ̈ (1) Längden på fjädern, , är: (2) Fjäderkraften, , är: / (2) / (3) Sträckan är: (4) Ekvation (4) ger (5) Dämpkraften, , är: ̇ / (2) / ( ̇ ) / (5) / ( ̇ ) (6)
Ekvation (3) och (6) insatt i (1) ger
̈ ( ̇ ) ̈ ̇ Där: ̈ ̈ ̈ ̈ ̈ ̈ ̈ ̈ ̈ ̈ ⁄ ̇ ̈ ⁄
5.6.2
Implementation i Matlab
För att lösa differentialekvationen implementeras systemet i Matlab. Matlabs inbyggda differentialekvationslösare, ode45, används för att simulera trucken under 1,5 s när trucken kör över ett hinder enligt . För att lösa differentialekvationen implementeras även ekvationerna nedan.
√ ⁄ (8)
(9)
(10)
(11) Där: ̈ ̈ ̈ ̈ ̈ ̈ ̈ ̈
Vid tiden antas att maskinhuset inte har någon rörelse i höjdled vilket medför att längden på fjädern är . Det ger begynnelsevillkoren, och ̇ , till differentialekvationen.
/ / ̇
Ekvationerna som används i Matlabs differentialekvationslösare, ode45, är uttryck för hastig-heten och accelerationen i z-led.
̇
̇
Analysen implementeras i Matlab (se Bilaga 5) med de tre olika dämpningsprinciperna gummielement, fjäder-dämparsystem samt tallriksfjädrar och jämförs mot dagens konstruktion. Trucken simuleras i 1,5 sekund och data som används i analysen för alla koncepten är:
Funktionen för underlaget beroende av tiden visas i Figur 23 där hindret påträffas efter 50 ms, vilket motsvarar sträckan 100 mm, från Figur 21. Underlaget plottas i 180 ms men enligt definitionen av från avsnitt 5.6 fortsätter underlaget att vara noll under resterande delen av simuleringen.
Figur 23 – Funktionen för underlaget och hindret som börjar efter 50 ms.
Resultat
5.6.3
Nuvarande konstruktion
Genom att sätta fjäderkonstanten till något väldigt stort kan ståldistanserna i dagens konstruktion simuleras och jämföras mot de andra principerna eftersom att det motsvarar en extremt styv fjäder. Fjäderkonstanten sätts till:
⁄
Den statiska nedböjningen, δ, beräknas med ekvation (11).
⁄ / (10) / ⁄ ⁄
Dämpningsförhållandet varieras i Tabell 7 men resultatet från simuleringen i Figur 24 – Figur 26 använder förhållandet, . Längden på distanserna visas i Figur 24 nedan.
Figur 24 – Längden på ståldistansen som funktion av tiden.
Maskinhusets läge, z, som funktion av tiden visas i Figur 25 där är inkluderad i z-koordinaten.
När ståldistanserna simuleras erhålls en väldigt hög acceleration, som kan ses i Figur 26.
Figur 26 – Maskinhusets acceleration när ståldistanser simuleras. Tabell 7 – Vibrationernas amplitud och acceleration med varierande dämpningsförhållande. Mätning Dämpnings-förhållande Maximal amplitud Maximal acceleration
Tid innan svängningen dämpas ut 1 0,2 % 0,00060 mm 5 221,05 m/s2 ≈ 0 s 2 0,5 % 0,00049 mm 3 913,25 m/s2 ≈ 0 s 3 0,8 % 0,00055 mm 3 341,50 m/s2 ≈ 0 s 4 1 % 0,00057 mm 3 076,35 m/s2 ≈ 0 s 5 2 % 0,00093 mm 2 061,57 m/s2 ≈ 0 s 6 5 % 0,00178 mm 1 294,63 m/s2 ≈ 0 s 7 10 % 0,00360 mm 1 683,05 m/s2 ≈ 0 s 8 20 % 0,00678 mm 1 112,45 m/s2 ≈ 0 s 9 50 % 0,01755 mm 986,26 m/s2 ≈ 0 s 10 100 % 0,03508 mm 986,80 m/s2 ≈ 0 s
Från Tabell 7 kan man se att amplituden för simuleringen är väldigt liten vilket är helt logiskt för en styv konstruktion. Accelerationen varierar kraftigt med olika dämpningsförhållanden men den maximala accelerationen är väldigt hög för samtliga mätningar. Svängningarna syns nästan inte i Figur 24 vilket innebär att svängningarna dämpas ut nästan direkt. Det gäller för alla mätningarna och tiden innan svängningarna dämpas ut är därför ungefär 0 s för alla mätningarna.
5.6.4
Gummielement
Som fjädrande och dämpande element används gummielementet som visas i Figur 12, tillverkat av Trelleborg Industrial AVS. Data för elementets statiska nedböjning fås från diagrammen i Figur 27. Genom att använda belastningen 125 kg på skalan längst till vänster och sedan följa belastningen till diagram 2, åt höger, tills linjen EH 6463-60 påträffas och sedan gå rakt nedåt kan den statiska nedböjningen avläsas.
