Utformning av modul till cykeltaxi

50  Download (0)

Full text

(1)

Utformning av modul till cykeltaxi

Design of a bicycle taxi module

Examensarbete, 15hp, Högskoleingenjör inom Maskin-och materialteknik

Examensarbete,15hp, Högskoleingenjör inom Produktutveckling och design

VT 2019

Ali Al-Sultani aliamerali002@gmail.com

Petrit Krasniqi petrit_777@hotmail.com

(2)

i

Sammanfattning

Under det senaste decenniet har fraktcykeln genomgått något av en återupplivning. Historiskt sett har fraktcykeln använts flitigt för leveranser av post och varor för att eventuellt fasas ut av den moderna bilen. Med tanke på de miljöproblem som då uppstått till följd av människans beroende av bilen har det uppstått en efterfrågan för utsläppsfria fordon. Företag, städer och kommuner har insett potentialen som dagens fraktcykel besitter för att lösa dessa problem. I kombination med dagens teknik har den kommersiella fraktcykeln utrustats med elmotor vilket möjliggör många nya användningsområden för fraktcykeln. I arbetet har ett koncept av en cykeltaximodul för företaget i fråga tagits fram genom systematisk produktutveckling. Konceptets material har bestämts med hjälp av programmet CES EduPack och dess miljöpåverkan i form av en livscykelanalys har studerats genom funktionen EcoAudit i CES EduPack. Konceptet förverkligas genom en 3D-modellering i ritningsprogrammet SolidWorks.

(3)

ii

Abstract

During the last decade, the freight bicycle has experienced sort of a revival. Historically, the freight bicycle has been used extensively for deliveries of mail and goods only to become replaced by the modern car. Considering the environmental problems that have come about as a result of

humanity’s dependence on modern four-wheeled vehicles, a demand for emission-free vehicles has risen. Companies, cities and municipalities have realized the potential of the modern freight cycle to solve these problems. In line with modern technology, commercial freight bicycle has been equipped with an electric motor, which enables many new areas of applications for the freight bicycle, many of which the freight bicycle can replace the car as the primary mode of transportation. Some of the possible uses are delivery of goods in urban environment and metropolitan areas, bicycle cab and mobility service. In this study, a concept of a module for a bicycle taxi has been developed through a systematic product development process. The material for the concept is selected using CES EduPack where its environmental impact is also studied by the way of a life cycle analysis using the function EcoAudit within the same program. The concept is brought to life by a 3D-model using SolidWorks.

(4)

iii

Förord

Detta examensarbete är ett resultat av ett samarbete mellan två studenter inom utbildningarna Högskoleingenjör inom Produktutveckling och design samt Maskin-och materialteknik vid Malmö Universitet. Arbetet är värt totalt 30 högskolepoäng fördelat på två studenter. Vi, studenterna, vill med detta arbete rikta ett stort tack till Johan Wedin och Staffan Sölve på Starke Cycles som skänkt oss möjligheten till ett spännande uppdrag och erbjudit sin hjälp.

Vi vill även passa på och tacka vår handledare Håkan Wernersson från Malmö Universitet vars innovationsanda och expertis färgat av sig genom handledningarna och ständigt förbättrat vårt arbete under projektets gång.

(5)

iv

Innehållsförteckning

1.Inledning ... 1

1.1 Bakgrund ... 2

1.2 Problemformulering ... 2

1.3 Syfte, mål och avgränsningar ... 4

2. Fraktcyklar på marknaden ... 5

2.1 Klassificering ... 5

2.2 Typer av fraktcyklar på marknaden ... 5

2.3 Fraktcykeln som taxi ... 6

3.Metoder ... 8

3.1 Systematisk produktutveckling ... 8

3.1.1 Målspecifikationer ... 8 3.1.2 Konceptgenerering ... 9 3.1.3 Konceptval ... 12

3.2 3D-modellering ... 12

3.3 Materialval ... 12

3.4 Livscykelanalys ... 13

3.5 Masscentrumberäkning ... 14

3.6 Finita elementmetoden ... 14

4. Resultat ... 17

4.1 Målspecifikationer ... 17

4.2 Konceptgenerering ... 19

4.2.1 Extern sökning ... 19 4.2.2 Intern sökning ... 19 4.2.3 Systematisk utforskning ... 21

4.3 Konceptval ... 24

4.4 3D-modellering ... 27

4.5 Materialval ... 27

4.6 Livscykelanalys ... 31

4.7 Masscentrumberäkning ... 33

4.8 Finita elementmetoden ... 35

5.Diskussion ... 40

(6)

v

6.Slutsats ... 42

Referenser ... 43

(7)

En utmaning som dagens transportbransch ständigt strävar efter att finna lösning till är huruvida det sista steget i distributionskedjan, “the last mile”, kan optimeras på bästa möjliga vis. Last mile är leveransen av varan från distributionscentral till slutkund. Last-och budbilar är fortfarande de transportmedlen som dominerar denna sträcka och trots att det är de vanligaste medlen innebär det inte alltid att det är de bästa alternativen och i synnerhet när det gäller stadsmiljö där bilen kan fastna i köer och måste köra omvägar då den är begränsad till ett vägnät. Det går inte heller att ignorera det oundvikliga faktum att transport via last-och budbil skadar miljön, bidrar till buller och högre kostnader [1]. Detta transportmedel är lättare att navigera med, tar upp mindre utrymme i trafiken och har även visat sig vara snabbare i storstadsmiljöer [2].

I dagsläget finns ingen etablerad taxitjänst som erbjuder cykeltaxi i Malmö. Som stad är Malmö karaktäristiskt platt och därmed är förutsättningarna goda för att transportera sig via cykel. Malmö stad har genom tiden tillägnat mycket tid och resurser för att minska bilismen och idag finns det cirka 50 mil cykelväg i staden. 30 procent av allt resande görs med cykel och varje familj äger i snitt två-tre cyklar [3].

Med detta råder det inget tvivel om att det finns en utpräglad cykelkultur i staden. Denna beror på en utbredd miljömedvetenhet stadens åtgärder för att underlätta cykling vilket förklarar

fraktcyklarnas framgång. Taxifordon i landet kör 5.4 gånger längre per år än personbilar och 48 procent av taxibilarnas sammanlagda körsträckor utgjordes av miljöfordon [4].

(8)

2

1.1 Bakgrund

Företaget Starke Cycles vill med sina fraktcyklar som plattform kunna erbjuda transportlösningar till olika ändamål där modulen på plattformen anpassas efter det önskade området. Dessa områden kan till exempel vara färdtjänst/taxi, mobila kök och godstransport, se figur 1. I Malmö har

tillverkningsföretaget Starke Cycles tillverkat fraktcyklar åt systerbolaget MoveByBike sedan 2016. Franchisen har spridit sig till storstäder i Sverige som Stockholm, Lund och Uppsala, detta visar på att det finns en tydlig potential för framtida etablering av dessa cyklar som transportmedel. Utöver transport av varor vill även företaget utnyttja möjligheten att använda sina cyklar för att erbjuda en taxitjänst. Ett av dessa områden som företaget vill satsa på är en miljövänlig taxitjänst som ersätter vanlig taxi mellan kortare sträckor i en stadsmiljö. Taxin skall erbjuda en bekväm, säker och

tillfredsställande åktur till kunder som vill betala lite mer för det lilla extra. Ponera de sträckor som dagligen körs inom städer och huruvida de hade kunnat ersättas av eldriven cykeltaxi. Redan där går det att markant minska bilismen och utsläppen som medföljer samt öppna även upp

arbetsmöjligheter för unga. Givet den rådande inställningen till miljö och cykling som finns i Malmö finns det god anledning till att tro att en elektriskt driven, miljövänlig cykeltaxi vore ett välkommet förslag.

Figur 1: Tänkbara tillämpningsområden för lastcykeln. Bild från Starke Cycles.

1.2 Problemformulering

Idag finns det ingen etablerad cykeltaxi i Malmö för de som vill ha en miljövänlig färdtjänst. Företaget vill använda det befintliga chassit på deras nuvarande fraktcyklar som plattform med möjlighet att montera olika sorters moduler på denna plattform. Plattformen är 160 cm lång och 60 cm bred med en höjd på 40 cm, se figur 2. Det finns en modell av en kabin men denna är fyrkantig, solid och stänger in kunden i ett utrymme, därför är det inget lämpligt alternativ att använda som taxi, se figur 3. En design av kabinen kommer att upprättas. Den nya kabinen skall vara rymlig, ha en inbjudande design samt tillverkas med avseende på miljövänlighet och låg kostnad.

(9)

3

-

Figur 2: Det befintliga chassit till fraktcyklarna i Starke.

Figur 3: Prototyp av befintlig godsförflyttningskabin.

Företaget talar om verklig säkerhet och upplevd säkerhet. Till den verkliga säkerheten hör saker som kraschsäkerhet och säkerhet mot utmattning, brott och belastningar. Upplevd säkerhet är den extra dimensionen av säkerhet en design, utformning eller inredning kan ge passagerarna. Det gäller att skapa en attraktiv design av kabinen som förhåller sig till maxvikten med passagerare och material inkluderat utan att kompromissa säkerheten.

(10)

4

1.3 Syfte, mål och avgränsningar

Syftet med projektet är att med hänsyn till materialval, hållfasthetslära och genom

produktutvecklingsmetoder komma fram till hur denna kabin skall designas. En lyckad produkt leder till en trevlig upplevelse för kunder vilket ökar användningen av tjänsten. På så vis minskar varje individ sin miljöpåverkan genom att välja detta alternativ. Målet med projektet är att ta fram ett koncept för en kabin avsedd som taxi-och färdtjänst för personer i urbana miljöer. Kabinen skall vara estetiskt tilltalande och miljövänlig men även säkerhet skall beaktas. Produkten skall analyseras under givna lastfall och säkerhetsfaktorer-och åtgärder skall införas för att garantera

passagerarsäkerheten. I arbetet kommer ingen fysisk produkt att konstrueras utan resultatet kommer endast begränsas till en 3D-modell. Inredningsarbete samt identifiering av kundbehov kommer inte att beaktas då företaget har identifierat sin målgrupp.

(11)

5

2. Fraktcyklar på marknaden

Fraktcykeln har genom tiden använts för småskaliga leveranser inom tätbefolkade områden av posttjänstemän och diverse yrkesmänniskor för att leverera varor. I samband med introduktionen av motordrivna fordon har fraktcykeln fallit bort i användning och minskat i popularitet. På senare tid har dock fraktcyklarna haft något av en återupplivning då entreprenörer, kommuner och

stadsplanerare har insett fraktcykelns potential till att lösa urbana miljöproblem. Med hjälp av elassistans och eldrivna motorer har tillverkare lyckats göra fraktcyklarna smidigare och lättare att framföra vid uppförsbackar, långa sträckor och tung frakt. Detta har återuppväckt ett intresse för att tillämpa olika applikationer på fraktcyklarna så som cykeltaxi, mobilt kafé och redskapsbärare.

2.1 Klassificering

Fraktcyklar förekommer både med och utan elassistans men i kommersiellt syfte är fördelarna överlägsna med elassistans med tanke på den tid och ansträngning som föraren besparar genom elassistans[5]. Dessutom är företagets huvudsakliga affärsidé att tillverka eldrivna fraktcyklar som ska användas i kommersiella syften. Därför skall fraktcyklar av typen eldriven fraktcykel beaktas och inte elmopeder eller dylikt. För att en fraktcykel skall betraktas som en fraktcykel med elassistans och inte moped gäller följande enligt Transportstyrelsen.

• Elmotorn kopplas in när trycket på tramporna ökar, till exempel för att göra det lättare att trampa i uppförsbackar och i stark motvind.

• Motorn får endast förstärka kraften från tramporna och får inte ge något krafttillskott vid hastigheter över 25 km/tim

• Motorns kontinuerliga märkeffekt får vara högst 250 watt

2.2 Typer av fraktcyklar på marknaden

Fraktcyklar förekommer i olika varianter och utformningar som är anpassade efter önskade

köregenskaper och lastförmåga. Fraktcyklarna återfinns vanligen i form av tvåhjulingar, trehjulingar och fyrhjulingar. Även lastutrymmets placering kan variera och placeras bakom, ovanför eller framför bak-och framhjul [6].

De typiska tvåhjuliga varianterna är så kallade ”longtails”, tvåhjulingar med lastutrymme ovanför framhjul, bakom framhjul

• Longtail

En longtail är en tvåhjuling med en förlängd bakre ramdel. Tvåhjulingar kommer i regel upp i högre fart och med den ökade ramdel i bakled får cykeln en lägre tyngdpunkt. Tack vare den lägre tyngdpunkten kan cykeln lastas vid sidorna på bakre delen utan att bli instabil.

• Tvåhjuling med lastutrymme ovanför framhjul

Med lastutrymmet placerat ovanför framhjulet fås en god syn över lasten. Potentiella problem med lastning av skrymmande paket kan uppstå då lastutrymmet generellt är anpassad för mindre paket. Tillverkare som Omnium Bikes har hittat en lösning kring det genom att spänna fast skrymmande paket med uthålliga och starka band.

(12)

6

• Tvåhjuling med lågt lastutrymme bakom framhjul

Genom att sänka lastutrymmet och därmed även tyngdpunkten ökar lastförmågan. Denna typ av fraktcykel lämpar sig för familjer med småbarn på grund av det ökade lastutrymmet som följer med denna typ av konstruktion.

• Trehjuling med svängande låda

Sedan 1984 har tillverkarnas Christiania Bikes trehjulingar prytt Köpenhamns gator. Cykeln erbjuder god lastförmåga då den tillverkades med hänsyn till transport av småbarn i det bilfria Christiania.

• Trehjuling med två svängande framhjul

Genom att placera hjulaxlarna under lådans lägsta punkt fås en lägre tyngdpunkt som minskar risken med omkullkörningar. På denna konstruktion svänger föraren med hjulen istället för lådan vilket ger lättare styrning.

• Trehjuling med ett svängande bakhjul

Med ett svängande bakhjul underlättas vändningen och därmed lämpas denna konstruktion för applikationer som cykeltaxi, godstransport och transport av tyngre varor.

2.3 Fraktcykeln som taxi

Den förbättrade framkomligheten vid trängsel, lägre miljöpåverkan samt användarvänligheten ger fraktcykeln potentiella fördelar över bilen vid person-och godstransporter [7]. Trots att det inte är en lika vanlig företeelse i västvärlden som i delar av Asien har olika varianter av cykeltaxi dykt upp titt som tätt i Norden och Europa. Den mest populära typen av cykeltaxi är rikshan som visas i figur 4.

Figur 4: Typisk Riksha-cykel med passagerarsätet bakom eller framför cykelföraren. Förekommer även med passagerarsäte vid sidan av föraren (Pixabay).

De versioner av cykeltaxi som uppstått i västvärlden har till stor del hämtat inspiration från rikshorna både till design och tillämpningsområde. I Berlin har ”pedicaben” vilken kan liknas vid en äggformad riksha blivit en allt vanligare syn där turister så väl som lokalboende kan få guidade rundturer i staden. Liknande tjänster som Blue Sky i Antwerp och Txitas i San Sebastian. På grund av den låga hastighet de färdas igenom staden kan reklambyråer använda taxins utformning i

(13)

7

Figur 5: Exempel på typisk pedicab (Wikimedia Commons).

När det har kommit till persontransport har de europeiska fraktcyklarna i Holland och Danmark varit synonyma med att transportera små barn [9]. På senare tid har cykeltillverkare gått från att tillverka den typiska lådcykeln till att anpassa sin design för att transportera vuxna människor bekvämt. Till exempel kan Köpenhamns TrioBike med sin modell TrioBike Taxi transportera två människor och erbjuder även skydd mot väderförhållanden [10].

Även i Sverige har konceptet med cykeltaxi introducerats på olika håll med blandade framgångar. I Göteborg kan det snart bli aktuellt med Quicabs unika liggcykelsdrivna cykeltaxi på gatorna [11]. Sedan tidigare har också MoveByBike experimenterat med olika moduler för persontransport som till exempel ”cykelbussen” [12].

(14)

8

3.Metoder

För att förverkliga företagets grundidé till ett konkret koncept har det tagits användning av

produktutvecklingsprocessen som beskrivs av Ulrich och Eppinger [13]. Verket beskriver processen tydligt, tillvägagångsättet är strukturerat samt att denna metod lägger stor vikt på att framställa en kundfokuserad slutprodukt.

I detta arbete används metoderna och deras tillhörande lösningar för att komplettera varandra och på längre sikt säkerställa att bästa möjliga lösning framställs givet omständigheter och avgränsningar. Resterande metoder som används för att komplettera produktutvecklingen är Computer Aided Design (CAD), materialval och finita elementmetoden.

3.1 Systematisk produktutveckling

En systematisk produktutveckling består av sex olika viktiga faser, se figur 6 [13]. Den inleds med ”fas 0” som börjar med identifiering av möjligheter. ”fas 1” är konceptutveckling och i den fasen ska behoven hos kunder identifieras och nya koncept genereras. I den tredje fasen delas produkten upp i delsystem och komponenter vilket kallas för ”Utveckling på systemnivå”. I detaljutvecklingsfasen upprättas produktens geometri och material. Den systematiska produktutvecklingen avslutas med testning och vidareutveckling samt produktionsupptakt. För att genomföra en bra planering, ledning, koordination och kvalitetssäkring, krävs det en väldefinierad produktutvecklingsprocess.

Figur 6: De fem olika stegen för den systematiska produktutvecklingen.

3.1.1 Målspecifikationer

Ett godtyckligt upprättande av specifikationer är inte alltid tekniskt genomförbart [13]. Att nå upp de slutliga specifikationerna som upprättas beror på detaljerna i det slutliga produktkonceptet som har valts. Därför skapas en preliminär produktspecifikation som kallas målspecifikation.

Målspecifikationen speglar utvecklingsgruppens både ambitioner och förväntningar vilken kan genomföras med hjälp av fyra olika steg, se figur 7.

Planering utvecklingKoncept- Utveckling på

systemnivå Detalj-utveckling Testning och vidare-utveckling Produktions -upptakt

(15)

9

Figur 7: De olika stegen för upprättande av målspecifikation.

3.1.2 Konceptgenerering

Konceptgenerering består av fem steg, se figur 8 [13]. Metoden går ut på att klargöra det huvudsakliga problemet som projektet behandlar genom att bryta ned ett huvudproblem i

delproblem. Koncepten genereras genom att söka externt och internt. Vid externa sökningar ligger fokus på konkurrentundersökning medan interna sökningar ger möjlighet till nya lösningar.

Lösningarna utforskas systematiskt genom konceptkombinationstabeller för att slutligen reflekteras över.

Figur 8: Konceptgenereringens fem steg.

Nedan beskrivs konceptgenereringens samtliga steg: • Klargöra problemet

Att klargöra problemet består i att utveckla en allmän förståelse för huvudproblemet, sedan dela upp huvudproblemet i delproblem och slutligen fokusera på de viktiga delproblemen [13].

• Extern sökning

Att försöka hitta befintliga lösningar både till huvudproblem och delproblem som redan finns i marknaden, är syftet med den externa sökningen [13]. När en ny lösning tas fram, är det både

Förbereda en lista över egenskaperna Benchmarking-samla in information om konkurrenter Upprätta ideala och marginellt acceptabla målvärden Reflektera Klargöra problemet Söka internt Utforska systematiskt Reflektera Söka externt

(16)

10

tidskrävande och dyrt. Det är därför är det effektivt att titta på befintliga lösningar. Olika

tillvägagångssätt finns för att hämta in extern information, exempelvis: intervjua spetsanvändare, konsultera experter, söka patent, söka publicerad litteratur och genomföra benchmarking på relaterade produkter.

De metoderna som presenteras ovan har för- och nackdelar. Beroende på produkt och situation väljs vilka metoder som ska användas. Nedan beskrivs kort metoderna.

Intervjua spetsanvändare

En spetsanvändare är en användare av en produkt som kan täcka upp behov år eller månader innan majoriteten av marknaden gör det [13]. Spetsanvändaren kan sökas på en marknad där

utvecklingsteam utvecklar nya produkter eller på marknader för produkter som använder några av produktens delfunktioner.

Konsultera experter

Experter med kunskap om delproblem kan erbjuda lösningskoncept omedelbart och även dirigera om sökningen till ett givande område [13]. Experterna kan bestå av professionella konsulter, fackmän, universitetsanställda och tekniska säljare hos leverantörer.

Söka patent

Patent är källor som är innehållsrika och lättillgängliga där teknisk information kan erhållas med detaljerande förklaringar och skisser för hur många olika produkter fungerar [13]. Nackdelen med patentsökning är att koncept från nya patent är skyddade vilket kan kosta mycket för att använda informationen.

Söka publicerad litteratur

Litteraturundersökning är mycket bra källor för befintliga lösningar för att den innehåller affärstidningar, tidskrifter och rapporter från regeringen, marknads-, konsument- och

produktinformation samt reklam för nya produkter [13]. Detta är mesta effektiva sättet för att samla in information från publicerad litteratur genom exempelvis en elektronisk sökning.

Benchmarking

Benchmarking inom konceptgenerering innebär att undersöka befintliga produkter med en funktion som liknar funktionen hos produkten som ska utvecklas eller delproblem som utvecklingsteamet riktar sin uppmärksamhet på [13]. Genom benchmarking fås insikt om befintliga koncept som redan finns på marknaden för att lösa ett problem och information om svagheter och styrkor hos befintliga produkter. Benchmarking genomförs för att samla in konceptlösningar och spara tid samt pengar.

• Intern sökning

Intern sökning innebär att de befintliga resurserna i form av kunskaper som gruppmedlemmar besitter, används för att hitta lösningar [13]. Den personliga kunskapen utnyttjas som kreativitet inom teamet för att generera konceptlösningar. Den typen av sökning kallas för brainstorming, där idéerna skapas utifrån kunskapen som finns inom gruppen. För att förbättra medlemmarnas individuella sökningar och sökning inom gruppen, används fyra olika användbara riktlinjer som är:

1. Framskjutning av beslutet. Utvärderingar skjutas upp för att nå framgång och generera nya idéer.

2. Generering av många idéer.

(17)

11

4. Användning av fysisk och grafisk media gynnar teamet att lösa problem som krävs en djup förståelse.

Några interna konceptgenereringsmetoder beskrivs nedan.

Brainstorming

För att lösa ett problem, behövs en metod som syftar till att hitta på nya idéer. Brainstorming är en lämplig metod som används för att generera nya idéer [14]. Det förekommer några varianter av brainstorming, bland annat 636-metod och stop and go. Dessa metoder genomförs i en grupp som består av några medlemmar för att generera nya idéer som ska lösa ett problem eller en uppgift. 635 metod går ut på att en grupp av sex gruppmedlemmar ska presentera tre olika idéer på var sitt papper under fem minuter och när dessa fem minuter har passerat, skickas pappret vidare till nästa gruppmedlem som genererar tre nya idéer på samma papper under fem minuter. Detta upprepas tills varje papper har fyllts med 18 olika idéer under 30 minuter [15]. Stop and go går ut på att under fem minuter ska nya idéer genereras och sedan följer både tänkande och tystnad o.s.v.

Fördelar med brainstorming är bland annat att samtliga idéer är bra idéer, alla deltagare får utveckla varandras idéer och idéer får inte kritiseras.

Sex tänkande hattar

En grupp består av sex medlemmar, har var sin hatt. Hattarna har sex olika färger som är vit, svart, gul, röd, blå samt grön vilka presenterar olika tanke och tillvägagångssätt. Detta är till för att styra tänkandet då den personen som har en viss färg, har specifik tanke eller tillvägagångssätt.

Personen med vit hatt ska vara objektiv och neutral samt att bygga sina idéer och argument på fakta. Svart hatt ska ha en pessimistisk tillgång till alla idéer samt att fel och brister påpekas med logiska argument. Gul hatt ska ha ett hoppfullt tillvägagångssätt och försöka hitta vinsten i alla idéer. Personen med röd hatt ska ha ett drivet tillvägagångssätt av passion och känslor ska vara en del av tänkandet. Blå hatt ska ha ett tillvägagångssätt som är kontrollerande och ordningsamt. Personen med grön hatt ska vara kreativ och komma med nya kreativa idéer hela tiden [16].

• Utforska systematiskt

Resultatet från de externa och interna sökningarna betyder att ett antal lösningar till delproblem har samlats in [13]. Den systematiska utforskningen består av två specifika verktyg som är

konceptklassifikationsträd och konceptkombinationstabell. Dessa verktyg är till för att organisera gruppens hantering av problem. I arbetet används endast konceptklassifikationsträd för att dela in samtliga möjliga lösningar i olika kategorier.

• Reflektera

Konceptgenereringsprocessen avslutas med en reflektion över lösningarna till problemet och själva utvecklingsprocessen [13].

(18)

12

3.1.3 Konceptval

I konceptvalet bedöms värdet av koncepten i förhållande till kraven och behoven som har ställts på produkten [13]. För att välja ut det bästa konceptet tillämpas två strukturerade metoder som är konceptpoängsättning och känslighetsanalys. För att öka noggrannhet i konceptvalprocessen används konceptpoängsättning som skiljer ur relativa koncept. Metoden inleds med att vikta den relativa betydelsen för ett urvalskriterium och sedan läggs fokus på mer fördjupande skillnader för varje kriterium. Det vinnande konceptet med högst betyg provas senare i en känslighetsanalys för att säkerställa att det är rätt val. Metoden följer en process som består av sex olika steg, gynnar teamet att välja det bästa konceptet. De sex olika stegen är följande: förbereda konceptvalsmatris,

betygsätta/poängsätta koncepten, rangordna koncepten, kombinera och förbättra koncepten, välja ett eller flera koncept och reflektera.

3.2 3D-modellering

Ett digitalt verktyg används för att först skapa en design och sedan ändra eller optimera den. Med hjälp av Computer Aided Design (CAD) som är datorstödda ritningsprogram som möjliggör 3D visualiseringar av ritningar, modelleras det valda konceptet [17]. Fördelen med CAD är att det snabbt går att utföra snabba förändringar och genomföra simulationer av modeller vilket eliminerar behovet av fysiska prototyper och där med sparar både tid och pengar. Det programmet som kommer att användas för modellering av konstruktionen och simulering av lastfallen är SolidWorks.

3.3 Materialval

I materialvalsprocessen beaktas de kriterier som materialet förväntas uppfylla i förhållande till det syfte och användningsområde produkten används inom. Genom programvaran CES EduPack fås förslag för de material som är lämpliga och kriterierna uttrycks i form av mätbara parametrar vars värden hämtas från materialdatabasen MaterialUniverse Data [18].

För att sedan bryta ned processen och tackla materialvalet systematiskt används Ashbys metod enligt följande: [19]

1. Översättning - Uttryck designkrav som begränsningar och objektiv 2. Urval – Eliminera materialen som inte uppfyller kraven

3. Rangordning – Rangordna de materialen som uppfyller kraven bäst

4. Dokumentation – Insamling av ytterligare information för att belysa svagheter och styrkor för det slutligt valda materialet

För att begränsa urvalet vid materialvalet används materialindex. Ett materialindex definieras av en kombination av materialegenskaper relevanta för materialvalet. Exempelvis kan materialindex för en platta vars massa ska minimeras härledas på följande vis:

Massan m ges av 𝑚 = 𝑤𝑡𝐿ρ (1) där t och w anger tjocklek respektive bredd samt L för längd och ρ för densitet.

Styvhet ges av följande ekvation med storheterna F för last, E för elasticitetsmodul, I för tröghetsmoment och C motsvarar materialkonstant.

𝑆 =𝐹

δ=

𝐶𝐸𝐼

(19)

13

Tröghetsmomentet 𝐼 =𝑤𝑡123 insatt i ekvation (2) ger 𝑆 =𝐶𝐸𝑤𝑡3

12𝐿3 (3)

Tjockleken 𝑡 = (12𝑆𝐿3

𝐶𝐸𝑤) 1/3

löses ut ur ekvation 3 och återinsätts i (1) 𝑚 = (12𝑆𝑤2

𝐶 ) 1/3

𝐿2( ρ

𝐸1/3) (4)

De storheterna som är mest avgörande för materialegenskaperna är ( ρ

𝐸1/3) vilken inverteras och ger

därmed materialindexet 𝑀 = (𝐸1/3ρ ) (5) Detta index representerar lutningen i en materialkarta, det vill säga en graf innehållande

materialklasser med flera ingående material där abskissan och ordinatan definierar storheter fördefinierade av designkraven. Vid materialvalet önskas oftast en maximering eller minimering av materialindexet, exempelvis hade en maximering av indexet ur det härledda fallet resulterat i ett material med en hög styvhet i förhållande till densiteten.

Utöver mekaniska egenskaper är det även allt vanligare att miljöpåverkan beaktas i materialval. Miljöpåverkan beskrivs fördelaktigt i form av koldioxidutsläpp och ”embodied energy”. Uttrycket ”embodied energy” kan förklaras som den summa energi ett material kräver för att utvinnas och framställas men också förstöras eller återvinnas. Kortfattat inkluderar det energiförbrukningen från alla icke-operationella livsfaser i ett materials livscykel. Användningen av dessa storheter som

indikatorer för miljöpåverkan kan lämpligen genomföras i ett tidigt stadie inom materialvalet [20].

3.4 Livscykelanalys

En livscykelanalys genomförs för att undersöka den totala miljöpåverkan en produkt har i form av energi-och koldioxidutsläpp under sina livscykelfaser. De berörda faserna är material, tillverkning, transport, användning och slutligen avfallshantering samt End of Life-potential. Livscykelanalyser ger en översikt av vilka resurser som är mest energikrävande och har använts som beslutsunderlag för allt från företagsbeslut till forskningsändamål [21]. Enligt EN ISO 14 040:1997 har livscykelanalysen tre moment där moment ett är ”Definition av mål och omfattning”, moment två och tre definieras som ”Inventeringsanalys” respektive ”Miljöpåverkansbedömning”. Dessa moment korresponderar med tolkningsfasen där resultatet av livscykelanalysen beror på den slutliga tolkningen av studien [22]. Se figur 9 för förtydligande över momentens samverkan.

(20)

14

Figur 9: Livscykelanalysens moment.

Funktionen EcoAudit inom Edupack används för att genomföra en livscykelanalys. EcoAudit innehåller information om material relaterat till dess materialegenskaper, energiförbrukning vid tillverkning, frakt och möjligheter till återvinning och återanvändning [23].

Livscykelanalyser som grundar sig på information från existerande databaser likt denna tillämpas lämpligast inom kända och etablerade tekniker. I de fall där livscykelanalyser tillämpas på nya, outforskade tekniker rekommenderas prospektiva, alltså framtidsorienterade livscykelanalyser vars data härrör från vetenskapliga artiklar, intervjuer med experter och patent med mera [24].

3.5 Masscentrumberäkning

Modulens masscentrum betraktas för att ta reda på om konstruktionen är stabil och riskerar inte att välta. Handberäkningar används för att ta reda på för vilken totalvikt som konstruktionens

masscentrum inte hamnar utanför dess dimensioner för att på så vis säkerställa säkerheten mot vältning. Dessa beräkningar kan utföras med hjälp av innehåll i kurslitteratur rörande mekanik [25].

3.6 Finita elementmetoden

Finita elementmetoden är en numerisk, matematisk metod som används för att approximativt lösa partiella differentialekvationer. Finita elementmetoden har sitt ursprung i flygindustrin på 40-talet där liknande beräkningar gjordes för hand på balksystem. Själva tekniken utvecklades på 50-och 60-talen med störst fokus på hållfasthetsproblem men dessa beräkningar krävde väldiga resurser gällande datorkraft. I takt med datorteknikens utveckling och att kostnaderna minskade för

datorkraft skapades alltmer sofistikerade men användarvänliga beräkningsprogram. Användningen av finita elementmetoden lämpar sig bäst för fenomen som kan beskrivas som randvillkorsproblem varav några av de mest typiska är spänningsanalyser, flödesproblem och värmeöverföring och det går att tillämpa på varierande geometriska former från balkar till plattor såväl som mer komplicerade geometrier.

Tolknings

fas

Moment 1: Definition av mål och omfattning Moment 2: Inventeringsanalys Moment 3: Miljöpåverkansbedömning

(21)

15

I mer grundläggande termer kan man säga att FEM grundar sig på att en struktur delas in i ett ändligt antal element (diskretisering). Elementen kopplas samman genom knutpunkter i elementens kanter eller hörn, så kallade noder. Elementen kan formas enligt trianglar, fyrhörningar eller prismor beroende på strukturen. Kombinationen av alla ändliga, indelade element bildar ett elementnät. Genom att värdet på en nod i ett element är känt kan det elementets approximativa lösning uttryckas och noggrannheten på denna lösning beror på hur grovt eller fint nätet är samt valet av metod [26, 27]. Ett exempel på hur ett elementnät (mesh) tilllsammans med randvillkor genererar ett resultat illustreras i figur 10.

Figur 10: En FE-analys som beskriver värmeledningen i ett golvvärmesystem (Wikipedia).

Metodiken är generell men för exempelvis en fjäder kan den beskrivas enligt följande tillvägagångssätt:

- Definiera ett konstitutivt samband för fjädern.

- Genom införandet av storheter som förskjutningar, krafter och frihetsgrader definieras ett konstitutivt samband för ett fjäderelement.

- En beräkningsmodell för ett system av kopplade element kan därefter tas fram

Beräkningsmodellen beskrivs i form av ett ekvationssystem genom att formulera elementmatriser med tillhörande kompabilitetsvilkor. Dessa matriser assembleras sedan genom jämvikt och tidigare kända nodlaster och randvillkor definieras för att ekvationssystemet skall bli möjligt att lösa. Slutligen bestäms inre krafter. Ett endimensionellt fjäderelement illustreras i figur 11.

Figur 11: Ett endimensionellt fjäderelement med tillhörande väsentliga storheter

Fjäderelementets styvhet K beskrivs av ekvationen 𝐾𝑒𝑎𝑒 = 𝑓𝑒 vilken matrisformuleras enligt

[ 𝑘 −𝑘 −𝑘 𝑘 ] [ 𝑢1 𝑢2] = [ 𝑃1 𝑃2 ] (6)

(22)

16

Där k beskriver styvheten för fjädern, u är förskjutning och P nodlast. Det här är en simpel ekvation för ett simpelt system men i större system av flera fjäderelement beskrivs varje fjäderelement för sig på samma vis och kopplas ihop med hänsyn till nodernas position. Med hjälp av kompabilitetsvillkor visas vilka förskjutningar och noder som är beroende av varandra och det blir möjligt att expandera elementmatriserna. Slutligen definieras de upplagsvillkor som föreskrivna värden på

förskjutningarna, exempelvis en inspänd fjäder har det föreskrivna värdet noll vid den punkt där den är inspänd på grund av att det inte finns rörelsemöjligheter. Det här är ett så kallat randvillkor och tillsammans med tidigare kända laster kan det expanderade ekvationssystemet nu lösas [28]. Idag är FEM oftast inbyggd som ett verktyg i de flesta kända CAD-program. Dessa analyser kan tillämpas i olika fall från strukturanalyser till flödesproblem för att visualisera hur konstruktioner agerar utifrån givna lastfall och randvillkor. Detta verktyg är idag en ovärderlig tillgång för ingenjören i dennes utvecklingsarbete då prototyptestning-och tillverkning kan istället genomföras i virtuell miljö. Modelleringen och simuleringen inom programmet motsvarar tillverkning respektive testning vilket sparar på oväntade kostnader tidigt i ledet. Dock är det viktigt att använda dessa program med stor försiktighet och kunna verifiera resultatet även med handberäkningar för att få en bra

indikation. Även värt att notera är att de FE-simulationer som används i CAD-program är något elementära jämfört med mer specialiserade mjukvaror som Abaqus, Nastran och Ansys.

(23)

17

4. Resultat

I det här kapitlet presenteras ett koncept för en kabin till en fraktcykel. Konceptet och dess design framställs genom en systematisk produktutveckling som möjliggörs med hjälp av de beskrivna metoderna. Kabinen skall ha en unik design, dess eventuella tillverkning skall ha en minimal miljöpåverkan med avseende på material samt inge säkerhet och komfort i en unik upplevelse för passagerarna.

4.1 Målspecifikationer

Företaget har undersökt marknaden och upptäckt vilket kundsegment de vill rikta idén mot. Därför tas ingen hänsyn till kundbehov eller produktmöjligheter under arbetet och kabinens behov baseras på kundsegmentet och samtal med uppdragsgivare. Kabinens behov tillsammans med tillhörande betydelsefaktorer redovisas i tabell 1 där betydelsefaktor 5 har högst rang och 1 har lägst.

Tabell 1: Kundbehov för kabinen och deras relativa betydelse i form av betydelsefaktor.

Nr. Behov Betydelsefaktor

1 Transportera passagerare 5

2 Hållbar konstruktion 4

3 Estetiskt tilltalande 3

4 Är enkel att montera 3

5 Överskrider inte maxvikt 5

6 Erbjuda säkerhet 4

7 Liten miljöpåverkan 3

8 Måtten förhåller sig till plattformen 5

9 Komfort 3

10 Anpassningsbar för olika klimat 2

Utifrån behoven tas en särskild mätbar egenskap och tillhörande enhet fram relaterat till varje behov. De mätbara egenskaperna får ett nytt nummer då olika behov kan mätas av samma egenskap. Vissa av behoven mäts med konkreta enheter som exempelvis miljöpåverkan med enheten CO2

-utsläpp och totalvikt i kilogram medan abstrakta behov som estetiskt tilltalande och komfort får enheten subjektiv. Dessa presenteras vidare i tabell 2.

Tabell 2: Lista över mätbara egenskaper och tillhörande behov för kabinen. Motsvarande enheter visas. “Subj” är en förkortning som anger att egenskapen är subjektiv.

Mätbar egenskap nr

Behov nr

Mätbar egenskap Betydelsefaktor Enheter

1 2, 6 Hållfasthet 4 MPa 2 5, 7 Lastkapacitet 5 Kg 3 4 Monteringstid 2 s 4 7 Utsläpp 3 Kg 5 1 Energi 4 kWh 6 10, 3 Design 3 Subj. 7 9,1 Användarvänlighet 3 Subj. 8 8, 9 Längd 4 m 9 8, 9 Bredd 3 m

(24)

18

Förhållandet mellan behov och mätbar egenskap förtydligas vidare i form av en behov-och egenskapsmatris i tabell 3: Markeringen x i en cell innebär att det behov och den mätbara egenskapen som tillhör den markerade cellen hör ihop med varandra.

Tabell 3: Behovs- och egenskapsmatris.

Information om konkurrerande produkter i form av benchmarking samlas in dels för att få en bättre bild av marknadsläget och undersöka vilka tomrum som kan fyllas. De mätbara egenskaper som bestämts utifrån behoven jämförs hos de konkurrerande produkterna. Fyra olika fraktcyklar avsedda för passagerartransport studeras i tabell 4. Med resultatet från benchmarking fastställs

målspecifikationer till produktens mätbara egenskaper i form av marginal-och idealvärden i tabell 5.

Tabell 4: Benchmarking av fyra olika cykeltaxi.

Mätbar egenskap nr Behov nr Mätbar egenskap

Betydelsefaktor Enheter Christiana

Bikes Model T Velove Armadi llo TrioBi ke Taxi Winther Cargoo 2 5, 7 Lastkapacitet kg 160 300 250 100 4 7 Utsläpp kg 0 0 0 0 5 1 Energi kWh 0,562 0,6 0,486 0,324

6 10, 3 Design Subj. Trehjuling

med svängande låda Fyrhjuli g liggcyk el Trehj uling med sväng ande låda Trehjulig med svängande låda 8 8, 9 Längd m 2,35 Uppgift saknas 2,25 2,07 9 8, 9 Bredd m 0,99 0,86 1,06 0,89

(25)

19 Egenskap

nr

Behov nr Mätbar

egenskap

betydelsefaktor Enhet Marginellt

värde Idealvärde 1 2, 6 Hållfasthet 4 MPa ≥ 1 ≥ 2 2 5, 7 Lastkapacitet 5 Kg 400 ≤ 300 3 4 Monteringstid 2 S 3 600 900 4 1 Energi 4 kWh 0,3 0,6

5 10, 3 Design 3 Subj. Subj. Subj.

6 8, 9 Längd 5 M 2 2,5

7 8, 9 Bredd 5 M 0,8 1

4.2 Konceptgenerering

Under konceptgenereringen presenteras metoder som extern- och intern sökning samt systematisk utforskning.

4.2.1 Extern sökning

Genom den externa sökningen i form av benchmarkingen i tabell 4 kunde gruppen utgå ifrån

befintliga målvärden hos liknande produkter för att senare kunna styra lösningsgenereringen. Utifrån tabell 5 fick den slutliga produkten riktlinjer för inom vilka värden de mätbara egenskaperna skall befinna sig inom. Genom att använda resultatet från bägge tabeller kunde koncepten som genereras i nästa steg hållas inom en.

4.2.2 Intern sökning

För att söka internt, används brainstorming. Utifrån brainstormingen har några koncept genererats vilka presenteras nedan.

• Koncept 1

Konceptförslag ett bygger på sektionsmodulär arkitektur. Konstruktionen är fyrkantig med avrundade kanter, se figur 12. Utformningen är inspirerad av husvagnar som består av en liten trappa, handtag, backspeglar och fönster.

(26)

20

• Koncept 2

Konceptförslag två inspireras även den av moderna husvagnar. Konstruktionen är cirkulär med en horisontell bas. Kabinen utrustas med dörr, handtag på ingångsdörren och fönster omkring dess utformning för att ge passagerarna full vy över sin omgivning och minimera kabinens vikt. Kabinen monteras på plattformen genom skruvning för att förenkla montering och eventuellt modulbyte, se figur 13.

Figur 13: Konceptförslag 2.

• Koncept 3

Konceptförslag tre bygger på en sektionsmodulär arkitektur med. Konstruktionen är cirkulär och är utrustad med handtag, lucka utan något fönster och dörr, se figur 14. Utformningen inspireras av gamla och klassiska husvagnar.

Figur 14: Konceptförslag 3.

• Koncept 4

Konceptförslag fyra är en kombination av konceptförslag 1 och 3. Det vill säga att den främre delen är fyrkantig med avrundade kanter och den bakre delen är cirkulär, se figur 15.

(27)

21

Figur 15: Konceptförslag 4.

• Koncept 5

Konceptförslag fem bygger på en futuristisk design. Framdelen och bakdelen är raka med avrundade kanter. Kabinen använder sig av luckor där fönster och dörrar skall vara. Dessa luckor förses med ett väderskyddsnät som enkelt klistras av och på. Säkerhetsbälten ingår i sätena då kabinen är ”öppen”, se figur 16.

Figur 16: Konceptförslag 5.

4.2.3 Systematisk utforskning

Utifrån resultatet från extern- och intern sökning fås en god ingångsförutsättning för att klargöra det huvudsakliga design-och konstruktionsproblem som projektet behandlar. Huvudproblemet

identifieras genom behoven och kraven och bryts senare ned i enklare delproblem. Till huvud-och delproblemen tilldelas tillhörande huvud-och delfunktioner.

Problemet är att transportera passagerare säkert och miljövänligt samt klara av de laster som uppstår under transporten. Huvudproblem omformuleras till huvudfunktion transportera och delfunktionerna blir således säkerhet, utformning, utrustning samt montering, se figur

17.Delfunktionen säkerhet svarar mot hur kabinen kan göras så säker som möjligt där resultatet visas i figur 18. Utformning gäller kabinens designmöjligheter, utrustning besvarar frågan om

(28)

22

konstruktionens möjliga utrustningar och montering presenterar monteringsmöjligheter, dessa redovisas i figurerna 17, 18 och 19 samt 20 och 21.

Figur 17: Huvudproblemet transportera med sina tillhörande delproblem säkerhet, utformning, utrustning och montering.

Figur 18: Delproblemet säkerhet omformuleras till delfunktion säkra med tillhörande lösningar.

Transportera

Säkerhet

Utformning

Utrustning

Montering

Säkra

Backspeglar

Väderskyddande nät

Krocksensor

Inåtgående dörrar

Glidande dörrar

(29)

23

Figur 19: Delproblemet utformning omvandlas till delfunktion utforma och olika utformningsmöjligheter presenteras.

Figur 20: Delproblemet utrustning omvandlas till delfunktion utrusta och dess lösningar presenteras.

Utrusta

Handtag

Lucka

Fönster

Trappa

Speglar

Utforma

Fyrkantig

Cirkulär

Triangulär

(30)

24

Figur 21: Delproblemet montering omvandlas till delfunktion montera och olika monteringsmöjligheter presenteras.

4.3 Konceptval

De föreslagna koncepten utvärderas i förhållande till de kraven och behoven som ställs på produktens åkkomfort, passagerarsäkerhet och design. Konceptvalet inleds av att tidigare

identifierade urvalskriterier väljs och viktas i ett hierarkidiagram enligt en poängskala från 0-1 där 1 är det högsta värdet. Den totala summan av urvalskriteriernas poäng uppgår till 1, se figur 22. En konceptvalsmatris förbereds där koncepten matas in och betygsätts, se tabell 6. Koncepten betygsätts från 1-10 i förhållande till ett referenskoncept. Det utvalda referenskonceptet är fraktcykeln Velove Armadillo med taxitjänsten Quicab då deras cykeltaxi är det mest liknande exemplet som finns tillgängligt. Konceptvalsmatrisen kombineras med hierarkidiagrammet i en konceptpoängsättningsmatris där värdet från hierarkidiagrammet multipliceras med betyget från konceptvalsmatrisen för att se vilket koncept lämpar sig bäst, se tabell 7. Kriteriet ”Dimensioner” väljs bort då kabinens dimensioner är anpassad efter Starke Cycles fraktcykelchassi och kan inte jämföras med andra moduler. För att säkerställa att rätt koncept har valts införs en känslighetsanalys där kriteriernas viktning varieras för att undersöka påverkan på resultatet, se tabell 8. Detta sista steg är viktigt för att kontrollera att en poängsättning inte värderats för högt, se tabell 9. Koncepten rangordnas baserat på resultatet från känslighetsanalyserna, se tabell 10.

Montera

Svets

Nitning

(31)

25

Figur 22: Hierarkidiagram med bedömningskriterier och viktning för kriterierna.

Tabell 6: Bedömning av konceptförslag med hänsyn till urvalskriterierna.

Kriterium Koncept 1 Koncept 2 Koncept 3 Koncept 4 Koncept 5 Referens

koncept Lastkapacitet 8 8 8 8 8 7 Estetiskt tilltalande 4 7 3 6 7 8 Stabilitet 6 5 5 6 6 9 Åkkomfort 7 6 4 6 7 5 Totalt 30 26 26 30 34 35

Tabell 7: Poängsättningsmatris där bedömningsvärdet multipliceras med viktningsvärde för att rangordna konceptförslagen.

Koncept 1 Koncept 2 Koncept 3 Koncept 4 Koncept 5

Kriterium Vikt V Bedömning B V*B Bedömning B V*B Bedömning B V*B Bedömning B V*B Bedömning B V*B Lastkapacitet 0,2 8 1,6 8 1,6 8 1,6 8 1,6 8 1,6 Estetiskt tilltalande 0,2 4 0,8 7 1,4 3 0,6 6 1,2 7 1,4 Stabilitet 0,3 6 1,8 5 1,5 5 1,5 6 1,8 6 1,8 Åkkomfort 0,1 7 0,7 6 0,6 4 0,4 6 0,6 7 0,7 Totalt 0,8 25 4,9 26 5,1 20 4,1 26 5,2 28 5.5

Tabell 8: känslighetsanalys 1 där viktningarna lastkapacitet och estetiskt tilltalande tilldelats nya värden.

Koncept 1 Koncept 2 Koncept 3 Koncept

4 Koncept 5 Kriterium Vikt V Bedömning B V*B Bedömning B V*B Bedömning B V*B Bedömning B V*B Bedömning B V*B Lastkapacitet 0,1 8 0,8 8 0,8 8 0,8 8 0,8 8 0,8

Transportera =1

(32)

26 Estetiskt tilltalande 0,3 4 1,2 7 2,1 3 0,9 6 1,8 7 2,1 Stabilitet 0,3 6 1,8 5 1,5 5 1,5 6 1,8 6 1,8 Åkkomfort 0,1 7 0,7 6 0,6 4 0,4 6 0,6 7 0,7 Totalt 0,8 30 4,5 31 5 26 3,6 30 5 34 5.4

Tabell 9: känslighetsanalys 2 där viktningarna ”stabilitet” och ”åkkomfort” tilldelats nya värden.

Koncept 1 Koncept 2 Koncept 3 Koncept

4 Koncept 5 Kriterium Vikt V Bedömning B V*B Bedömning B V*B Bedömning B V*B Bedömning B V*B Bedömning B V*B Lastkapacitet 0,2 8 1,6 8 1,6 8 1,6 8 1,6 8 1,6 Estetiskt tilltalande 0,2 4 0,8 7 1,4 3 0,6 6 1,2 7 1,4 Stabilitet 0,25 6 1,5 5 1,25 5 1,25 6 1,5 6 1,5 Åkkomfort 0,15 7 1,05 6 0,9 4 0,6 6 0,9 7 1,05 Totalt 0,8 30 4,95 31 5,15 26 4,05 30 5,2 34 5.55

Tabell 10: Slutlig rangordning av konceptförslagen baserat på resultatet från känslighetsanalyserna.

Konceptförslag Känslighetsanalys 1 Känslighetsanalys 2 Rangordning

1 4 4 4

2 2 2 2

3 5 5 5

4 3 3 3

(33)

27

4.4 3D-modellering

Efter att ett slutligt koncept har utvalts genomgår det vinnande konceptet en detaljutveckling i CAD-programmet SolidWorks™. Kabinen måttsätts enligt chassits dimensioner, se figur 23, vilket är en viktig förutsättning för att säkerställa påbyggnadens montage.

Figur 23: Den slutliga CAD-modellen som modellerades i CAD programmet Solidworks.

4.5 Materialval

Materialvalet sker systematiskt enligt Ashby-processen där mål och begränsningar gällande

materialets funktion identifieras. Materialvalet skall uppfylla funktionen att bära laster så att kabinen säkert kan transportera två fullvuxna passagerare. Målet med materialvalet är att minimera vikten för kabinen och maximera styvheten. De begränsningar som införs på materialvalet är hög styvhet, hög tryck-och böjhållfasthet medan materialval och utformning är de variabler som sätts fria. Designkraven upprättas i tabell 11.

Tabell 11: Designkrav för materialet.

Funktion Bära upp två fullvuxna passagerare

Begränsningar Hög styvhet

Hög sträckgräns Hög brottgräns

Mål Minimera vikt och maximera styvhet

Fria variabler Val av material

(34)

28

I nästa steg sållas materialen bort med avseende på designkraven. Kabinens material ska vara lätt av den anledningen att föraren inte skall anstränga sig onödigt mycket för att transportera passagerare och hålla användningen av el-assistansen lägre. För att få en fingervisning kring vilken densitet ett material börjar bli tungt framtas en densitetsskala av materialklasserna i figur 24.

Figur 24: Densitetsintervall av materialklasserna.

Ett begränsande intervall av 500kg/m3 till 5000 kg/m3 införs för att enklare hitta de material som

samtidigt är lätta och styva. Urval av materialen sker genom upprättande av en materialkarta Materialkartan plottas i en graf där ordinatan visar elasticitetsmodulen E i GPa och abskissan visar densiteten ρ i kg/m3. Materialindexet bestäms till 𝐸

1/2

𝑝 vilken representeras av en rät linje i grafen

och eftersom denna ska maximeras så är endast materialen över linjen relevanta för materialvalet. Materialen under linjen i figur 25 gallras därmed bort inför nästa steg i materialvalsprocessen. De kvarstående materialen redovisas i figur 26.

(35)

29

Figur 25: Materialvalskarta.

Figur 26: Materialvalskarta efter primär sållning.

Utöver materialens tekniska egenskaper har även deras typiska användningsområden beaktats. På så vis har ytterligare ett urval skett där endast material med liknande användningsområden valts. Exempel på liknande tillämpningar är de material som används i bilkarosser, skrov och husvagnar. De återstående materialen som skall rangordnas är bambu, trä, glas-och kolfiberarmerad plast samt aluminiumlegering.

Vid rangordningen bedöms materialen efter givna parametrar, de första parametrarna härrör från målsättningen med materialvalet, att minimera vikten samt behålla en hög styvhet. Målet översätts därmed till parametrarna sträckgräns och densitet. Extra parametrar med hänsyn till miljövänlighet och kostnad och ytterliga tekniska egenskaper införs vilka översätts till koldioxidutsläpp respektive

Density (kg/m^3) 10 100 1000 10000 Y o u n g 's m o d u lu s ( G P a ) 1e-4 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 Technical ceramics

Metals and alloys Composites Non-technical ceramics Polymers Elastomers Natural materials Foams Density (kg/m^3) 10 100 1000 10000 Y o u n g 's m o d u lu s ( G P a ) 1e-4 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000

Wood, typical along grain

Bamboo

CFRP, epoxy matrix (isotropic)

GFRP, epoxy matrix (isotropic)

(36)

30

pris per kilogram och sträckgräns samt brottgräns. Med hjälp av fler parametrar bedöms materialens mångsidighet bättre och ytterligare delmål kan uppfyllas.

En urvalsmatris av materialen med hänsyn till parametrarna upprättas i tabell 12 och en

poängsättning av denna matris genomförs i tabell 13 med en viktning från 1-5 där 5 är högst poäng.

Tabell 12: Materialdata för de angivna parametrarna med tillhörande storheter och värden.

Material Sträckgräns [MPa] Styvhet [GPa] Brottgräns [MPa] Densitet [kg/m3] Koldioxidutsläpp [kg/kg] Pris [kr/kg] Bambu 39,2 17,3 40,2 693 0,603 13,4 Trä 45,8 11 77,5 693 1,05 5,65 Glasfiberarmerad plast 192 20,5 182 1860 6,65 54,65 Kolfiberarmerad plast 760 102 760 1550 48,1 321 Aluminiumlegering 122 74,7 179 2690 13,1 16,8

Tabell 13: Urvalsmatris för de jämförda materialen. Egenskaperna poängsätts utifrån deras prestanda i förhållande till parametrarna och värdena summeras till en totalsumma.

De återstående materialen med högst poäng är kompositerna glasfiberarmerad plast och

kolfiberarmerad plast. Båda materialen är relativt lätta och styva för ändamålet. Kolfiberarmerad plast presterar bättre än glasfiberarmerad plast gällande de tekniska egenskaperna men

glasfiberarmerad plast är billigare och har ett betydligt lägre koldioxidutsläpp vid tillverkning. Med detta i åtanke väljs glasfiberarmerad plast av de återstående alternativen. Den specifika typen av glasfiberplast som väljs är Tepex® PA66+GF.

Glasfiberarmerad plast har ett brett användningsområde från golfklubbor, skidor till båtskrov och bilpaneler. Kompositens fibrer bär mekanisk last som överförs från matrismaterialet medan

matrismaterialet bidrar till kompositens duktilitet och styrka och beskyddar fibrerna. Materialet kan enkelt skapas till olika former och är även korrosionsbeständigt. Potentiella nackdelar är kostnaden för att framställa materialet och att materialet inte kan bearbetas med vanliga verktyg [29]. I sin tur leder detta till svårigheter vid reparation av skador på materialet. Förhållandet mellan materialets styrka och vikt gör glasfiberarmerad plast till ett åtråvärt material och uppfyller målet med materialvalet. Material Sträckgräns [MPa] Styvhet [MPa] Brottgräns [GPa] Densitet [kg/m3] Koldioxidutsläpp [kg/kg] Pris [kr/kg] Summa Bambu 1 1 1 5 5 4 17 Trä 1 1 1 5 5 5 18 Glasfiberarmerad plast 3 3 3 4 5 3 21 Kolfiberarmerad plast 5 4 4 4 3 1 21 Aluminiumlegering 2 3 3 2 4 4 18

(37)

31

4.6 Livscykelanalys

Kabinen tillverkas i glasfiberarmerad plast med formsprutning som huvudsaklig tillverkningsmetod. Två exemplar av kabinen tillverkas med en maximal livslängd på tio år och med tanke på kabinens lätta vikt skall inte mer än 150kg material användas vid framställning. Materialet kan inte återvinnas och lämnas in som brännbar rest i slutet av dess livscykel. Materialet fraktas inrikes och färdas 1000km. Frakten sker via en tvåaxlad lastbil som väger 14 ton. Då produkten befinner sig i ett mobilt läge som en påbyggnadsdel av ett fordon används den året runt och antas inte färdas mer än 50km per dag. De bestämda villkoren översätts till värden som införs i funktionen EcoAudit inom

programmet CES Edupack. Efter att produkten har definierats återger programmet en detaljerad rapport över produktens livscykelanalys. Resultatet av energi- och koldioxidutsläpp för varje livscykelfas redovisas i figurerna 27,28,29 och tabell 15. Livscykelanalysen visar att produktens miljöpåverkan är som störst vid materialframställning följt av tillverkning och slutligen användning.

Figur 27: Livscykelanalysdata för modulens energi-och koldioxidutsläpp.

(38)

32

Figur 29: Livscykelanalysdata för modulens energiutsläpp. Tabell 15: Energi-och koldioxidutsläpp i varje fas.

Energy (MJ) Energy (%) CO2 footprint (kg) CO2 footprint (%) Phase

3,6e+04 67,8 1,99e+03 76,2 Material

6,57e+03 12,4 526 20,1 Manufacture

450 0,8 32,4 1,2 Transport

9,87e+03 18,6 55,8 2,1 Use

150 0,3 10,5 0,4 Disposal

5,3e+04 100 2,62e+03 100 Total(For

first life)

-923 233

EoL-Potential

Under liknande villkor jämförs energi-och koldioxidutsläpp under produktens livscykel om materialet istället hade valts till aluminiumlegering. Livscykeln förväntas till den största delen råda under

samma villkor bortsett från att tillverkningsmetoden skiljer sig mellan materialen där aluminium helst gjuts. Rapporten i figur 31 visar att aluminiumlegering har högre utsläpp vid framställning av material men betydligt lägre vid tillverkning och användning. Trots det visas det i tabell 16 att

(39)

33

Figur 30: Livscykelanalysdata för modulens utsläpp om denna var i aluminiumlegering.

Tabell 16: Energi-och koldioxidutsläpp i varje fas för modulen i aluminiumlegering

Phase Energy (MJ) Energy (%) CO2 footprint (kg) CO2 footprint (%)

Material 5,99e+04 84,4 3,94e+03 96,7

Manufacture 704 1,0 42,2 1,0

Transport 450 0,6 32,4 0,8

Use 9,87e+03 13,9 55,8 1,4

Disposal 60 0,1 4,2 0,1

Total (for first life) 7,1e+04 100 4,07e+03 100

End of life potential -5,99e+04 -3,94e+03

4.7 Masscentrumberäkning

Chassit antas att väga betydligt mer än modulen och att två passagerare vars massa är 84 kg sitter i. Konstruktionen riskerar inte att välta om masscentrumet hamnar innanför chassits dimensioner. Masscentrumet beräknas med hjälp av [25].

O = 𝑚1𝑔. 𝑥1+𝑚2𝑔. 𝑥2 = (𝑚1+ 𝑚2)𝑔. 𝑥𝐺 (7)

Som ger att 𝑥𝐺 =

𝑚1. 𝑥1+𝑚2. 𝑥2

(40)

34

Där 𝑚1 är massan för passagerare 1 och 𝑚2 är massan för passagerare 2. 𝑥1 är avståndet mellan

origo och första passagerarens tyngdkraft och 𝑥2 är avståndet mellan origo och andra passagerarens

tyngdkraft. 𝑥𝐺 är modulens masscentrum, se figur 31.

Figur 31: Friläggning av konstruktionen och passagerarna.

Data för passagerarnas massa samt dess avstånd visas i tabell 17.

Tabell 17: värden för passagerarnas massa och avstånden.

𝒎𝟏 84 kg

𝒎𝟐 84 kg

𝒙𝟏 30 cm

(41)

35

Resultatet blir att masscentrumet befinner sig 80 cm från den ena änden vilket hamnar innanför chassits yttersta dimensioner.

4.8 Finita elementmetoden

En analys av spänningarna som uppstår i kabinen utförs enligt finita elementmetoden. Programmet SolidWorks™ har den inbyggda funktionen Simulation vilken genomför en finita elementanalys och ger därmed ett resultat på modellens spänningsfördelning givet ett eller flera randvillkor.

Ett lastfall som undersöks, är den dragande kraften som utövas på handtagen då passagerarna använder dessa för att stiga på. För det första lastfallet delades konstruktionen i 11422 element med 23678 noder där varje element är 72 mm stort. Materialet är isotropt med en E-modul på 28 GPa och tvärkontraktionstal som är 0.28. I det andra fallet delas trappan in i 30099 element med en

elementstorlek på 10mm. Materialet är rostfritt stål av typen AISI 316L, linjärelastiskt isotropt med en E-modul på 211 GPa och tvärkontraktionstal som är 0.265. Information gällande första och andra lastfallet redovisas i figurerna 32,33 respektive 34 och 35.

Materialet som valdes är glasfiberarmerad plast. Kraften som kommer från passagerarnas händer, antas att vara, F= 750 N per handtag. Konstruktionen fästs med hjälp av randvillkor vid samtliga infästningspunkter, se figur 36. Resultatet vid de pålagda krafterna och angivna randvillkoren blir att den högsta spänningen är 60,01 MPa, se figur 37 och som inträffar i handtaget, se figur 38. Den högsta spänningen är lägre än materialets sträckgräns som är 192 MPa vilket innebär att konstruktionen kommer att hålla för de utsatta krafterna.

(42)

36

Figur 32: Modellegenskaper för modulen utan handtag och trappa.

(43)

37

Figur 34: Modellegenskaper för modulens trappa

(44)

38

Figur 36: De pålagda krafterna med lila pilar och randvillkor med gröna pilar.

(45)

39

Figur 38: Den högsta spänningen som inträffar i handtaget.

Ytterligare ett lastfall till undersöks när passagerarna stiger på och då antas kraften att vara, F=3000 N, se figur 39. Resultatet blir att den högsta spänningen är 67,91 MPa vilket är lägre än materialets sträckgräns.

(46)

40

5.Diskussion

Utifrån mått baserade på fraktcyklarnas chassi har en modul tagits fram som passar chassit och kan monteras på denna. Baserat på liknande produkter som undersökts kan det påstås att modulen i fråga är unik och kan erbjuda en ny upplevelse för den tilltänkta målgruppen.

Med tanke på att glasfiberarmerad plast har ett brett användningsområde kan det anses vara ett välkänt material samt att de fallen som undersökts är statiska ger en säkerhetsfaktor på 3.2

respektive 2.5 en god marginal. Exempel på hur en ännu högre säkerhetsfaktor hade kunnat uppnås är att förstärka materialet genom att öka tjockleken på de områden där spänningarna är som högst eller val av styvare material som eventuellt kan förstärkas med glasfiber. En viktig faktor under arbetet var att modulen inte skall bestå av ett alltför tätpackat material för att inte kompromissa taxitjänstens kommersiella gångbarhet.

Den framtagna taximodulen visar enligt simuleringen att den klarar av att utsättas för de förutsatta lastfallen som kan tänkas uppstå vid på-och avstigning. De fallen som testas är en dragande kraft på 750N vardera på handtagen vilket ska representera hur kabinen påverkar av varje passagerare som kliver på med hjälp av handtagen. Det andra fallet är en last på trappan på 3000N vilket ska motsvara den dubbla vikten av två normalstora personer. Lastfall som uppstår under körning till följd av vibrationer eller vid fordonskrasch beaktas inte på grund av problemens komplexitet och de begränsade kunskaperna som gruppmedlemmarna besitter. Inte heller beaktas påverkan av passagerarnas tyngd då chassit, som modulen monteras på, är sen tidigare dimensionerad till att bära upp 300kg. Simuleringarna visade att säkerhetsfaktorn, förhållandet mellan materialets sträckgräns och den högsta spänningen blev 3.2 för handtaget samt 2.5 för trappan. En

säkerhetsfaktor mellan 1.5-2 anses vara lämpligt för välkända material med tillförlitliga egenskaper som används under kända statiska förhållanden [30].

Passagerarnas sammanlagda massa antas vara 170 kg med medelkroppsvikten 84 kg som

utgångspunkt [31]. För att kontrollera att modulen fortfarande inte innehar vältningsrisk för tyngre än normalviktiga passagerare gjordes beräkningar för det fall där sammanlagda massan uppgår till 200kg. Även i detta fall visade sig att masscentrum fortfarande befann sig inom modulens

dimensioner och vältningsrisk föreligger därmed ej.

Då företagets plan med cykeltaxi befinner sig ännu i sin linda fanns det inte krav och riktlinjer på vad som skall uppnås förutom att modulen skall förhålla sig till chassits mått samt att inredningsarbetet sköts av företaget i ett senare skede. Det resulterar i ett arbete med fria tyglar där onödiga lösningar missas att sållas bort på grund av lösa avgränsningar. Behoven är baserade på samtal med företaget och handledare då företaget har en förutbestämd målmarknad. Den målmarknaden är kunder som vill ha en exklusiv upplevelse i cykeltaxin, många av sakerna som påverkar hur ”exklusiv” en åktur känns beror på vilka tillbehör som finns tillgängliga, inredningens bekvämlighet och material. I och med att inredningsarbete var en avgränsning föll många lösningar bort.

Vidare är det svårt att säkerställa huruvida ett annorlunda utvecklingsarbete hade förbättrat resultatet. Den produktutvecklingsmetod som valdes är baserad på Ulrich och Eppingers modell och valdes främst på grund av gruppmedlemmarnas tidigare erfarenheter från andra projekt med just denna metod. På så vis minskas utrymmet för feltolkning och inkorrekt tillämpning av metoden genom att lärdomar redan har dragits av tidigare misstag.

Exempelvis när poängsättning används internt för att värdera lösningsvarianter finns risken att medlemmarna bedömer varianterna subjektivt och partiskt. Känslighetsanalyser införs för att motverka det men det finns fortfarande risk att kunderna bedömer det helt annorlunda. Det hade

(47)

41

därför varit fördelaktigt med ytterligare kundintervjuer och undersökningar i samband med arbetet för att säkerställa utvecklingsarbetets relevans.

I framtida fall kan det även vara relevant att utgå från en kombination av olika

produktutvecklingsmetoder för att komplettera de hålrum en enda metod kan medföra. Genom att ha fler verktyg inom räckhåll ökar chansen för att ett bättre beslut tas i varje steg och

utvecklingsarbetet blir mindre stelbent.

Vid materialvalet var målet att välja ett material som uppvisar styva egenskaper men är samtidigt lätt. Då konstruktionen är en utvändig del av ett fordon undersöktes vilka material som används i liknande tillämpningar som bilkarosser och båtskrov men samtidigt uppfyller kraven på att vara lätt och styvt.

(48)

42

6.Slutsats

I detta arbete har ett koncept för en cykelmodul till en cykeltaxi tagits fram. Den framtagna modellen har utvecklats med hänsyn till miljöpåverkan genom att det har använts material i den minsta möjliga mån i form av luckor istället för solida dörrar och fönster runt om modellen. Det ger kunden en total vy över omgivningen och möjlighet att samspela med föraren. Det väderskyddande nätet som skall tillkomma utgör inte ett lika lämpligt skydd mot kyla och där kan uppdragsgivaren till exempel vidareutveckla modulen genom att tillsätta solida dörrar, använda luftkonditionering och erbjuda ytterligare bekvämligheter. Genom förvärvade kunskaper under utbildningens gång har metoder från diverse kunskaper använts för att efterlikna ett ingenjörsmässigt arbete. Den slutsats som arbetet utmynnar i är att det finns goda chanser att uppnå den långsiktiga visionen att minska den

Figure

Figur 1: Tänkbara tillämpningsområden för lastcykeln. Bild från Starke Cycles.

Figur 1:

Tänkbara tillämpningsområden för lastcykeln. Bild från Starke Cycles. p.8
Figur 4: Typisk Riksha-cykel med passagerarsätet bakom eller framför cykelföraren. Förekommer även med passagerarsäte  vid sidan av föraren (Pixabay)

Figur 4:

Typisk Riksha-cykel med passagerarsätet bakom eller framför cykelföraren. Förekommer även med passagerarsäte vid sidan av föraren (Pixabay) p.12
Figur 5: Exempel på typisk pedicab (Wikimedia Commons).

Figur 5:

Exempel på typisk pedicab (Wikimedia Commons). p.13
Figur 10: En FE-analys som beskriver värmeledningen i ett golvvärmesystem (Wikipedia)

Figur 10:

En FE-analys som beskriver värmeledningen i ett golvvärmesystem (Wikipedia) p.21
Tabell 1: Kundbehov för kabinen och deras relativa betydelse i form av betydelsefaktor

Tabell 1:

Kundbehov för kabinen och deras relativa betydelse i form av betydelsefaktor p.23
Tabell 3: Behovs- och egenskapsmatris.

Tabell 3:

Behovs- och egenskapsmatris. p.24
Figur 12: Konceptförslag 1.

Figur 12:

Konceptförslag 1. p.25
Figur 15: Konceptförslag 4 .

Figur 15:

Konceptförslag 4 . p.27
Figur 18: Delproblemet säkerhet omformuleras till delfunktion säkra med tillhörande lösningar

Figur 18:

Delproblemet säkerhet omformuleras till delfunktion säkra med tillhörande lösningar p.28
Figur 17: Huvudproblemet transportera med sina tillhörande delproblem säkerhet, utformning, utrustning och montering

Figur 17:

Huvudproblemet transportera med sina tillhörande delproblem säkerhet, utformning, utrustning och montering p.28
Figur 20: Delproblemet utrustning omvandlas till delfunktion utrusta och dess lösningar presenteras

Figur 20:

Delproblemet utrustning omvandlas till delfunktion utrusta och dess lösningar presenteras p.29
Figur 19: Delproblemet utformning omvandlas till delfunktion utforma och olika utformningsmöjligheter presenteras

Figur 19:

Delproblemet utformning omvandlas till delfunktion utforma och olika utformningsmöjligheter presenteras p.29
Figur 21: Delproblemet montering omvandlas till delfunktion montera och olika monteringsmöjligheter presenteras

Figur 21:

Delproblemet montering omvandlas till delfunktion montera och olika monteringsmöjligheter presenteras p.30
Tabell 8: känslighetsanalys 1 där viktningarna lastkapacitet och estetiskt tilltalande tilldelats nya värden

Tabell 8:

känslighetsanalys 1 där viktningarna lastkapacitet och estetiskt tilltalande tilldelats nya värden p.31
Tabell 7: Poängsättningsmatris där bedömningsvärdet multipliceras med viktningsvärde för att rangordna  konceptförslagen

Tabell 7:

Poängsättningsmatris där bedömningsvärdet multipliceras med viktningsvärde för att rangordna konceptförslagen p.31
Figur 22: Hierarkidiagram med bedömningskriterier och viktning för kriterierna.

Figur 22:

Hierarkidiagram med bedömningskriterier och viktning för kriterierna. p.31
Tabell 6: Bedömning av konceptförslag med hänsyn till urvalskriterierna.

Tabell 6:

Bedömning av konceptförslag med hänsyn till urvalskriterierna. p.31
Tabell 10: Slutlig rangordning av konceptförslagen baserat på resultatet från känslighetsanalyserna

Tabell 10:

Slutlig rangordning av konceptförslagen baserat på resultatet från känslighetsanalyserna p.32
Figur 23: Den slutliga CAD-modellen som modellerades i CAD programmet Solidworks.

Figur 23:

Den slutliga CAD-modellen som modellerades i CAD programmet Solidworks. p.33
Figur 26: Materialvalskarta efter primär sållning.

Figur 26:

Materialvalskarta efter primär sållning. p.35
Figur 25: Materialvalskarta.

Figur 25:

Materialvalskarta. p.35
Tabell 13: Urvalsmatris för de jämförda materialen. Egenskaperna poängsätts utifrån deras prestanda i förhållande till  parametrarna och värdena summeras till en totalsumma

Tabell 13:

Urvalsmatris för de jämförda materialen. Egenskaperna poängsätts utifrån deras prestanda i förhållande till parametrarna och värdena summeras till en totalsumma p.36
Tabell 12: Materialdata för de angivna parametrarna med tillhörande storheter och värden

Tabell 12:

Materialdata för de angivna parametrarna med tillhörande storheter och värden p.36
Figur 27: Livscykelanalysdata för modulens energi-och koldioxidutsläpp.

Figur 27:

Livscykelanalysdata för modulens energi-och koldioxidutsläpp. p.37
Figur 29: Livscykelanalysdata för modulens energiutsläpp.

Figur 29:

Livscykelanalysdata för modulens energiutsläpp. p.38
Figur 30: Livscykelanalysdata för modulens utsläpp om denna var i aluminiumlegering.

Figur 30:

Livscykelanalysdata för modulens utsläpp om denna var i aluminiumlegering. p.39
Figur 33: Mesh-information gällande spänningsanalysens noder och elementindelning.

Figur 33:

Mesh-information gällande spänningsanalysens noder och elementindelning. p.42
Figur 37: FEM-analys för hela konstruktionen. 

Figur 37:

FEM-analys för hela konstruktionen. p.44
Figur 36: De pålagda krafterna med lila pilar och randvillkor med gröna pilar.

Figur 36:

De pålagda krafterna med lila pilar och randvillkor med gröna pilar. p.44
Figur 39: Ett annat lastfall vid passagerarnas påstigning

Figur 39:

Ett annat lastfall vid passagerarnas påstigning p.45

References

Related subjects :