Konceptstudie på elektromekanisk positionerare

Konceptstudie

på elektromekanisk

positionerare

HUVUDOMRÅDE: Hydraulik

FÖRFATTARE: David Äse och Filip Olsson HANDLEDARE:Jonny Tran

Postadress:

Besöksadress:

Telefon:

Detta examensarbete är utfört vid Tekniska Högskolan i Jönköping inom Maskinteknik, Produktutveckling och design. Författarna svarar själva för framförda åsikter, slutsatser och resultat.

Examinator: Christoffer Wadman Handledare: Jonny Tran

Omfattning: 30hp, varav 15 hp per student Datum: 2020-06-01

Abstract

In a hydraulic valve it is of the utmost importance to be able to control the valve spool to obtain the most precise and accurate result possible. Today, two different types of solutions are used at the company. A simple solution based on manual lever control, where a lever controls the movement of the spool and thus controlling the application directly by hand. The second concept is a more advanced solution, an electro-hydraulic control. Which by means of a proportional magnet combined with a hydraulic servo performs the control to the valve body. Something the company currently lacks is a simpler electronic control of the valve. A solution of this kind could potentially be cheaper to produce and require a smaller area of the valve body. After a series of screenings of concept solutions, an electromechanical solution is presented. A concept solution that is strengthened by calculations and carefully drawn solid modelling models. According to the study's calculations and analyses, there is now one new alternative to a positioner in the company’s product catalogue.

This work was performed by two mechanical engineering students from Jönköping University of Technology in the spring of 2020.

Sammanfattning

I en hydraulventil så är det av största vikt att kunna kontrollera ventilsliden för att uppnå ett så precisionsrikt och exakt resultat som möjligt. Idag på företaget används två olika sorters lösningar. En enkel variant som bygger på manuell spakstyrning, där en direkt spak kontrollerar slidens rörelse och därmed produkten den avser att styra. Den andra är en mer avancerad variant, en elektrohydraulisk styrning. Vilket med hjälp av en proportionalmagnet kombinerat med ett hydraulservo utför styrningen till ventilhuset.

Något som företaget saknar i dagsläget är en enklare elektronisk styrning av ventilen. En lösning av den sorten skulle potentiellt kunna va billigare att producera och kräva en mindre yta på ventilhuset.

Efter en rad sållningar av konceptlösningar presenteras en elektromekanisk lösning. En konceptlösning som stärks av beräkningar och noga uppritade solidmodelleringsmodeller. Enligt studiens beräkningar och analyser så finns det nu ett till alternativ till en positionerare i företagets ägo.

Detta arbete utfördes av två maskiningenjörsstudenter från Jönköpings tekniska universitet våren 2020.

Innehållsförteckning

1

Introduktion ... 1

1.1 BAKGRUND ... 1 1.2 PROBLEMBESKRIVNING ... 2 1.2.1 Kravspecifikation 1 ... 3 1.2.2 Kravspecifikation 2 ... 4

1.3 SYFTE OCH FRÅGESTÄLLNINGAR ... 5

1.4 AVGRÄNSNINGAR ... 6

1.5 DISPOSITION... 6

2

Teoretiskt ramverk ... 7

2.1 KOPPLING MELLAN FRÅGESTÄLLNINGAR OCH TEORI ... 7

2.2 STEGMOTORER (HYBRIDMOTORER) ... 8 2.2.1 Motorerna ... 9 2.2.2 NEMA ... 9 2.3 MASKINELEMENT ... 10 2.3.1 Kugghjul ... 10 2.3.2 Snäckväxel... 11 2.3.3 Kulskruv/trapetsgänga ... 12 2.3.4 Kuggmodul ... 13 2.3.5 Kuggprofil (evolventprofil) ... 13 2.3.6 Koniska kugghjul ... 14 2.3.7 Planetväxel ... 14 2.4 TERMINOLOGI ... 15 2.4.1 Ventilslid ... 15 2.4.2 Positionerare ... 15 2.4.3 Styrsystem ... 15 2.4.4 Ventil ... 16 2.4.5 Myntskruv ... 16

3.1 UNDERSÖKNINGSMETOD ... 17

3.2 KOPPLING MELLAN FRÅGESTÄLLNINGAR OCH METOD ... 17

3.2.1 Frågeställning 1: Frågeställning 1 - Kan man med hjälp av en stegmotor föra ventilsliden i önskad linjär position? ... 17

3.2.2 Frågeställning 2: Vilken motorstorlek, metod för utväxling och positionering är mest aktuell? ... 17

3.2.3 Frågeställning 3: Hur ska en prototyp på slutgiltiga konceptet kunna se ut i fysisk form?... 18 3.3 GANTT-SCHEMA ... 18 3.4 LITTERATURSTUDIE ... 18 3.5 FÖRSTUDIE ... 18 3.5.1 Datainsamling ... 18 3.5.2 Konkurrensanalys ... 19 3.5.3 Marknadsanalys ... 19 3.5.4 Funktionsanalys ... 19

3.6 QUALITY FUNCTION DEPLOYMENT (QFD) ... 19

3.6.1 Parvis viktning ... 20 3.7 GO/NO GO ... 20 3.8 TRIZ... 21 3.9 PUGHS-MATRIS ... 21 3.10 GUT-FEEL ... 22 3.11 SOLIDMODELLERING ... 22 3.12 3D-PRINTING (FFF, FRIFORMFRAMSTÄLLNING) ... 22 3.13 PROTOTYP ... 22 3.14 KVALITETSKONTROLL ... 23

3.15 VALIDITET OCH REABILITET ... 23

4

Genomförande och resultat ... 24

4.1 GENOMFÖRANDE OCH RESULTAT-FRÅGESTÄLLNING 1 ... 24

4.1.1 GANTT-schema ... 24

4.1.2 Förstudie ... 24

4.1.4 Intern marknadsanalys ... 25

4.1.5 Konkurrensanalys ... 25

4.1.6 QFD (Parvis Viktning) ... 26

4.1.7 Summering/utvärdering av förstudie ... 26

4.1.8 Konceptgenerering genom TRIZ ... 26

4.1.9 Summering av frågeställning 1 ... 29

4.2 GENOMFÖRANDE OCH RESULTAT-FRÅGESTÄLLNING 2 ... 29

4.2.1 Sållning av koncept ... 29

4.2.2 Framtagna koncept ... 30

4.2.3 Konceptutvärdering med företaget ... 32

4.2.4 Beräkningar ... 33

4.2.5 Sammanfattning beräkningar ... 41

4.2.6 PUGHS-MATRIS... 41

4.2.7 Överläggning med företaget ... 42

4.3 UTFÖRANDE OCH RESULTAT -FRÅGESTÄLLNING 3 ... 42

4.3.1 Sammanfattning och vidareutveckling-slutgiltigt koncept ... 44

4.3.2 Beräkningar för slutkoncept ... 44

4.3.3 Sammanfattning av beräkningar på slutgiltigt koncept ... 48

4.4 SLUTLIGT RESULTAT/SLUTLIGT KONCEPT ... 49

4.4.1 Sprängskiss ... 49

4.4.2 Sprängskiss med komponentlista ...50

4.4.3 Dimensioner ... 51

5

Analys ... 52

5.1FRÅGESTÄLLNING 1-KAN MAN MED HJÄLP AV EN STEGMOTOR FÖRA VENTILSLIDEN I ÖNSKAD LINJÄR POSITION? ... 52

5.2VILKEN MOTORSTORLEK, METOD FÖR UTVÄXLING OCH POSITIONERING ÄR MEST AKTUELL? ... 52

5.3HUR SKA EN PROTOTYP PÅ SLUTGILTIGA KONCEPTET KUNNA SE UT I FYSISK FORM? ... 53

6

Diskussion och slutsatser ... 54

6.1 IMPLIKATIONER ... 54

6.3 VIDARE ARBETE ELLER FORSKNING ... 55

Referenser ... 56

Bilagor ... 57

1

Introduktion

Detta examensarbete utfördes på Jönköpings Tekniska Högskola och är del av kandidatutbildningen Maskinteknik med inriktning produktutveckling och design. Arbetet bedrevs av två studenter och innefattade totalt 30hp, fördelat 15hp per elev. Examensarbetet har ägt rum på ett företag i Småland. Studien genomfördes under våren 2020.

I denna del av rapporten kommer det ges en bakgrund av företaget och deras produkter, och en förklaring till problemet. Det kommer även bifogas motivering till varför projektet har genomförts, vilka avgränsningar som har gjorts, och hur arbetet har delats upp.

1.1 Bakgrund

Företaget är ett mindre familjeägt företag i Småland, som designar, utvecklar och tillverkar elektrohydrauliska styrsystem. Dessa styrsystem används framförallt i lastbilskranar och ett flertal andra mobila maskinapplikationer, där systemet ser till att användaren kan kontrollera rörelserna i maskinapplikationen. Styrsystemets främsta uppgift är att kontrollera en typ av positionerare som förflyttar ventilslidor i en linjär bana för att kontrollera interna oljeflöden i ventilen.

figur 1, Ventil med positionerare

All tillverkning av företagets produktsortiment sker i Sverige, och det innefattar allt från eget gjutgods, till egen elektronik, ända tills man har färdiga system, för total kontroll av produktionskedjan.

Idag används två olika tekniker för att flytta sliden i styrsystemet, och företaget ser gärna att fler tekniker skulle introduceras. I detta fall handlar det om en teknik som skulle vara helt baserad på elektrisk kraft, till skillnad från de nuvarande lösningarna. Detta eftersom marknaden för elektriska motorer har tagit ett stort kliv framåt de senaste åren vad gäller prestanda och kostnad. Företaget har tidigare spekulerat kring lösningar angående den nya tekniken, men aldrig tillägnat någon större mängd tid till att ta fram någon lösning. Genom detta projekt hoppas företaget att kunna se över möjligheterna att bredda sortimentet vad gäller sättet man styr ventilsliden i systemet, genom att få en studie genomförd för att analysera möjligheten att addera en elektromekanisk positionerare till deras sortiment.

figur 2, positionerare

1.2 Problembeskrivning

I en hydraulventil så är det av största vikt att kunna kontrollera ventilsliden för att uppnå önskat beteende hos den funktion som ventilen avser att styra. Olika tekniker har nyttjats för att styra sliden, och i dagsläget används två tekniker på företaget.

• Den enklare varianten är manuell spakstyrning där sliden påverkas direkt med hjälp av en spak för att kontrollera olika önskade funktioner.

• Den avancerade varianten är en elektrohydraulisk styrning som består av en proportionalmagnet kombinerat med ett hydraulservo för att få ytterst exakt slidpositionering.

Något som saknas i dagsläget är en enklare elektronisk styrning av ventilen. En sådan lösning skulle kunna användas i enklare applikationer, men fortfarande ge en fullgod kontroll via fjärrstyrning. För denna applikation ställs inte lika höga krav på exakt positionering som för den nuvarande avancerade lösningen, samtidigt så måste det vara tillräckligt bra för att uppnå fullgod styrning.

Från företagets sida så har de en given bild över hur pass stor skillnad i storlek den nya funktionen ska ha, genom att på den specifika arean ta fram en ny lösning med en elmotor, som producerar den kraften som slidpositioneringen kräver.

Företaget ser ett behov för denna typ av positionerare och har en idé om att denna styrs av en elmotor i kombination med ett mekaniskt servo. Man anser från företagets sida att en sådan här lösning skulle innehava flera positiva egenskaper, som beskrivs nedan.

• Då den behöver mindre yta för att appliceras på ventilen, i jämförelse med nuvarande lösning. Då en elmotor kan rotera i båda riktningarna och därmed kunna halvera antalet positionerare gentemot de lösningarna som finns i produktion idag, där det krävs positionerare på båda sidor av ventilsliden.

• Det är även en lösning som ifrån företaget sida anses kan komma att bli en billigare lösning för dem att tillverka.

• En elektromekanisk lösning kan också komma att bli simplare att montera och tillverka, då den har potential att innehålla ett mindre antal komponenter samt att funktionen kan komma att bli mindre komplex.

Utifrån kravspecifikationen så antar problemet två olika nyanser. Först så utgör studien att analysera och testa om de mindre sorternas elmotorer som finns på marknaden räcker för att utföra arbetet att flytta sliden i den menade horisontella rörelsen. Om det fungerar, så vill man ta fram en prototyp som klarar de mer strikta krav som önskas. Följande är kraven som bifogats från företagets första kravspecifikation.

1.2.1

Kravspecifikation 1

• Måttkrav

Maxdimensionerna som den önskade positioneraren helst ska uppnå Bas x höjd x längd 35,5x40x80 mm, där breddmåttet (35,5) skall vara centrerat mot ventilspåret. Se figur 3.

• Kraftkrav

Kravet på kraft som är på det nya konceptet skall uppnå minst 100 N i den resulterande linjära kraften under alla olika förhållanden och hastigheter.

• Positioneringskrav

Företaget anser att upplösningen under ett fullt slag från nolläge till max utstyrning (8 mm) åt en styrriktning skall uppnå en upplösning på 100 positioner, och med det ha en upplösning på minimum 0,08 mm/styrposition.

• Hastighetskrav

Ett hastighetskrav sattes också, där hastigheten för att göra ett fullt slag från nolläge till max utstyrning på 8mm åt en styrriktning endast skulle ta maximala 0,5 s.

Figur 3: Illustration av kravspecifikationens måttkrav

1.2.2

Kravspecifikation 2

Om punkterna från kravspecifikation 1 inte kan uppfyllas, så ges större marginaler till att utföra arbetet när det kommer till måttkravet. Då utökas kraven från 35x40x80 till 50x50x80 mm. Resterande krav på positionering, hastighet och resulterande kraft kvarstår. Måttkravet utökas i samförstånd med företaget för att ge mer rum till tekniska tillämpningar.

Figur 4 Illustration av kravspecifikationens andra måttkrav

Utöver kravspecifikationerna finns det en önskan av ytterligare en funktion till det nya styrsystemet. Vid ett eventuellt elavbrott så vill man att sliden skall kunna gå tillbaka till ett nolläge för att undvika läckage av hydraulvätskan.

1.3 Syfte och frågeställningar

Idag besitter företaget på två lösningar hur man för ventilsliden linjärt i ventilen. I dagsläget så fungerar de två befintliga lösningarna bra, men intresset för att bredda utbudet av positionerare är högt. Genom att möjliggöra en elektromekanisk baserad styrning så kan man ersätta de elektrohydrauliska positionerarna, som annars används för att förflytta ventilsliden. Detta kan resultera i en lösning som är mindre komplex samt är mindre till storlek, som i sin tur leder till att den är lättare att felsöka vid eventuella problem och kan då eventuellt generera billigare tillverkningskostnad.

Genom att undersöka och evaluera prestandan hos de aktuella stegmotorerna, så skall det implementeras ett koncept som kan överföra stegmotorernas rotationsmoment och öka dess styrka, till en kraft som agerar linjärt och kan föra ventilsliden inom de ramarna som är bifogade i kravspecifikationen.

Frågeställning

Huvudfråga: Hur utformas en positionerare för proportionalventilen som ska drivas

helt elektromekaniskt och som uppfyller företagets krav?

1. Kan man med hjälp av en stegmotor föra ventilsliden i önskad linjär position?

2. Vilken motorstorlek, metod för utväxling och positionering är mest aktuell?

1.4 Avgränsningar

Arbetet är avgränsat till endast positioneraren och vad som kommer att behöva finnas i och runt omkring den, för att kunna uppfylla de givna kraven på funktionalitet. Arbetet är menat att endast omfatta vad som händer innanför dimensionsmåtten som är givna i problembeskrivningen. Allting som händer utanför givna dimensioner är avgränsat i det här arbetet. Studien inkluderar inte att studera eventuella förbättringar eller ändringar inne i ventilen eller övriga områden på produkten.

Arbetet kommer endast att grunda sig omkring ett specifikt antal utvalda elektriska stegmotorer, vilket är av standarderna Nema 11, Nema 14 och Nema 17. Ingen ytterligare studie kommer att genomföras för andra sorters motorer som skulle kunna vara aktuella i sammanhanget.

Arbetet kommer att vara upplagt som en konceptstudie, vilket innebär att slutgiltiga tester av prototyper inte kommer att genomföra fysiskt.

Vid en lyckad framtagning av en ny produkt så kommer denna rapport inte att inkludera kostnader, där inräknat framtagning, produktion, inköp, tillverkning och lagring.

1.5 Disposition

Rapporten börjar med en introduktion där man beskriver bakgrunden till uppdraget och problemet på företaget, dessutom bifogas syfte och frågeställningar under detta kapitel. Därefter introduceras kapitlet med det teoretiska ramverket där det ges underliggande information för arbetets olika teorier som har brukats, och uppdragets ingående komponenter. Metodavsnittet behandlar hur olika metoder användes för att bemöta examensarbetets frågor. Sedan ges kapitlet som behandlar resultatet vilket är den större delen av projektet. Avslutningsvis presenteras avsnittet där slutsats och diskussion ges. Rapporten avslutas med bifogade referenser och bilagor.

2

Teoretiskt ramverk

Detta kapitel kommer behandla vilka teorier som har använts för att kunna bedriva arbetet, och förklara ingående komponenter i systemen som är relevanta för att förstå genomförandet. Denna teoretiska bakgrund kommer agera som bas för analyskapitlet senare i arbetet.

2.1 Koppling mellan frågeställningar och teori

1. Kan man med hjälp av en stegmotor föra ventilsliden i önskad linjär position?

För att kunna besvara denna fråga krävs mer ingående kunskap om hur stegmotorer fungerar och hur man överför ett roterande moment till ett linjärt moment. Här krävs en bred marknadsundersökning för att samla in information om hur det är möjligt att omvandla en kraftriktning och rörelsemönster. En analys krävs för att öka kunskapen om området styrsystem och hydraulik samt ventilhus för att förstå miljön, produkten ska vara aktiv i.

En genomgående granskning av marknaden på olika alternativ för att växla en roterande kraft till en linjär kraft krävs.

2. Vilken motorstorlek, metod för utväxling och positionering är mest aktuell?

Den andra frågan inriktar sig på möjligheten om någon eller några motorer bland de utvalda, är applicerbara teoretiskt enligt kravspecifikationen. Genom att studera kravspecifikationen och granska prestandan hos de olika storlekarna på stegmotorerna genom beräkningar gällande förluster och vinster i form av kraft, vridmoment, hastighet, utväxling och utrymme, skall frågan besvaras.

En ytterligare studie krävs för att samla in olika möjligheter för att skapa utväxling och ändra kraftriktning i en och samma funktion.

Momentberäkningar krävs för att teoretiskt få reda på om motorerna kombinerat med de olika lösningarna på utväxling är starka nog för att uppfylla kraven i kravspecifikationen. Prototypframställningar i cad krävs tillsammans med beräkningarna kunna motivera om lösningarna uppfyller kravet på mått eller ej.

3. Hur ska en prototyp på slutgiltiga konceptet kunna se ut i fysisk form?

Här krävs det ytterligare bearbetning inom konstruktion, design och funktionalitet. Vidare beräkningar kommer att krävas på de nya funktionerna och måtten för att säkerhetsställa att med de nya ändringarna och adderade komponenter får prototypen att uppfylla hela kravspecifikationen.

2.2 Stegmotorer (hybridmotorer)

En stegmotor roterar en axel med hjälp av elektriska impulser, och flyttar sig steg för steg med hjälp av magnetfält och strömriktningar i form av stavar och kopparlindningar i motorn. En stegmotor brukas vanligtvis bestå av en stator, en rotor och två lagersköldar. Statorn är den yttersta komponenten inuti motorn och är belägen runt centralaxeln. I stegmotorerna brukar denna del bestå av kopparlindningar som med varje puls skickad, omvandlar detta till ström i respektive lindning. [2]

Fig 5, Öppnad stegmotor

Stavarna (de gröna detaljerna på bilden ovan) sitter runt den centrala axeln och genom att dessa för ström skickade till sig, så uppstår ett magnetiskt fält, som gör att axeln flyttar på sig på grund av det magnetiska flödet. Genom att kontrollera strömriktningen med styrelektronik kan man bestämma vilka stavar som ska få ström att och därmed få axeln att rotera. Rotorn är den roterande komponenten i en elektrisk motor, som är belägen mitt i motorn, med axeln i centrum. Det är denna del av maskineriet som med hjälp av den impulsgivna statorn får axeln att rotera. [2]

I en hybridmotor är det istället 8 statorpoler, försedda med kopparlindning, som gör att det antingen blir nord- eller sydpol, beroende på strömmens riktning. På centralaxeln är det en eller två laminerade halvor (läs rotorn), som har en permanentmagnet inuti sig. Stegvinkeln på hybridmotorer är vanligtvis 1.8 grader. Vinkeln beräknas genom att dividera vinkeln på cirkeln (360 grader) genom antalet stavar på axelhalvorna och statpolerna (50), antalet rotorpoler (2) och antalet faser (2). Hybridmotorerna kommer ofta i standardiserade storlekar, så kallat NEMA-standard, och motorerna är i allmänhet fyrkantiga. [2]

2.2.1

Motorerna

De sju utvalda motorerna som används i den här studien är bifogade i figuren nedan. Motorerna är namnsatta till motor 1–7 i tabellen till vänster. I tabellen ses längdmått, typ av NEMA-standard samt vilket hållmoment motorn producerar. Alla mått och siffror är givna värden från tillverkarna. Se figur 6 för listan på motorer.

Figur 6 - Motorlista

2.2.2

NEMA

NEMA är en akronym för National Electrical Manufacturers Association och är en amerikansk standarddefinition för elektriska inkapslingar. Olika elektriska produkter delas in i säkerhetskategorier från 1–13 med tillhörande underkategorier, där man standardiserar vissa egenskaper som delas mellan flertalet produkter. [2]

NEMA ICS 16–2001 är exempelvis standarden för positions- och rörelsemotorer och behandlar produkter som stegmotorer. Standardvärden på NEMA-storlekarna presenteras alltid i tum (NEMA 17 är exempelvis 1,7 x 1,7 tum, dvs 42mm x 42 mm). I millimeter kan dessa standardstorlekar översättas till 35, 39, 42, 56, 86 och 110 mm. Notera dock att här indikerar numret storleken på flänsen av stegmotorn, och inte vilken säkerhetskategori den tillhör.[2] Följande Nema standarder kommer att användas i arbetets studier:

Tabell 7, egenproducerad, Nema -standarder i arbetet

2.3 Maskinelement

2.3.1

Kugghjul

Ett maskinelement som överför mekanisk effekt i form av rörelseenergi. På sidorna av kugghjulen är det utformade kuggtänder som har i uppgift att gänga i andra kugghjul, det för att utvinna ändring av rörelseriktning, kraft eller hastighet. Vad som önskas fås ut av kugghjul beror på vilken storlek eller antalet tänder som används till respektive par. Positioneras exempelvis ett storts kugghjul på en drivande axel, och sedan applicerar ett litet kugghjul på detta, så ökar varvtalet genom det lilla kugghjulet, i förlust av kraft. Detta går att applicera åt bägge hållen, dvs att kraft kan intjänas, på bekostnad av hastighet. [1, p 390–391]

När det kommer till kugghjuls geometriska data så går det att kategorisera in dem i två huvudkategorier.

• Primära storheter

Den indata som är väsentlig för att kunna förmedla en växels funktion, där bland annat grunddelning (𝜌𝑏) som används till att räkna ut om ett samarbete mellan olika hjul är en möjlighet. Kuggtalet (z) bestämmer växelns utväxling. [1, p 400–402]

• Sekundära storheter

Indata som används till att få ut kuggflankens utsträckning, där dessa utgör de fyra sekundära storheterna; kuggbredd (b), evolventfotradien( 𝑟𝑒), toppradien ( 𝑟𝑎) och bottenradien ( 𝑟𝑓 ) [1, 400–404]

2.3.1.1

Kuggstång

Kuggstång är ett maskinelement som med hjälp av ett vridmoment, kan omvandla rotationsrörelse, till linjär rörelse. Genom att ha en roterande källa med tillämpade kugghjul, kan man montera en rak stång med tänder som passar kugghjulets, för att föra stången i en rak linje. Används när man vill ändra färdriktning i förhållande till källan. Exempel på applikation är rotationen från en ratt till styrningen av hjulaxlarna. [8, p 98–99]

2.3.1.2

Momentberäkning kugghjul/kuggstång

För att två eller fler kugghjul skall kunna arbeta tillsammans behöver de ha samma kuggmodul 𝓂 och samma grundelning (𝜌𝑏).

Beteckningar gällande modulsystemet. Kuggtalet (z) Modulen (m) Pressvinkeln (𝛼) Profilförskjutningsfaktorn (x) [1, p 402] Delningen (p) = 𝜋𝑚 Beräkning av grunddelningen [3, p 162]

𝜌

𝑏

= 𝜌 cos 𝛼

0

= 𝜋 𝓂 cos 𝛼

0 (1) Beräkning av delningsdiametern [3, p 162]

𝑑 = 𝑚𝑧

(2) Framtagning av verkningsgraden [1, p 420] 𝑖 = 𝑧2 𝑧₁ = 𝑈𝑡𝑣ä𝑥𝑙𝑖𝑛𝑔𝑒𝑛 (3) 𝑘3= Kugghjul 3 𝑖 = Utväxlingsförhållande

𝑁 = (

( ( 𝑁𝑐𝑚∗( 1−𝑚𝑟)) 100

) ∗ (

𝑖 (₁₀₀₀𝑘3 )

)

(4)

2.3.2

Snäckväxel

En snäckväxel är en typ av kugghjulsammansättning som med hjälp av en skruvliknande enhet löper i spåret av ett kugghjul med samma skruvmönster. Denna lösning är en av flera maskinelement som kan ändra riktningen för kraften. Snäckväxlar är ett bra verktyg för att reducera hastigheten, och öka vridmomentet, dvs att snäckväxeln får en större kraft med förlust av hastighet.

Snäckväxlar definieras som två hjul som utvändigt har snedvinklarna β1 och β2. Där de två hjulen kommer att möta varandra med vinkeln Σ = β1 + β2. För att en snäckskruv och ett snäckhjul ska kunna fungera tillsammans med varandra behövs följande enheter att gå ihop. [1, p 462–467]

Axelvinkel:

Σ = 𝛽

1

+ 𝛽2

axelavståndet:

𝛼 = ( 𝑑

1

+ 𝑑

2) /2 flanknormalen:

𝛼

𝑛1

= 𝛼

𝑛2

= 𝛼

𝑛

normalfördelningen:

𝑚

𝑥1

sin 𝛽

1

= 𝑚

𝑡2

cos 𝛽

2

= 𝑚

𝑛1

= 𝑚

𝑛2

= 𝑚

𝑛

}

(5)

2.3.3

Kulskruv/trapetsgänga

Genom att använda en kulskruv på en gängstång så går det med rotation på gängstången flytta skruven linjärt. Det kan liknas med en mutter på en gänga, att när muttern roterar så förflyttar sig muttern längs med gängan. En kulskruv fungerar på samma sätt men kan belastas med större krafter, och kan förflytta sig längs en gänga utan att rotera med hjälp av ett kullager. Kulskruven är känslig för yttre kontaminering i form av smuts och damm, så det kräver ordentlig isolering av gängan, eller göra det möjligt att rengöra den. Detta element har en standardiserad flankvinkel på 30 ¤, vilket är vinkeln på gängspåret, och en stigning från 1,5 mm till 44 mm. Stigningen definieras genom hur långt objektet på gängspåret rör sig på ett varv.[7, p 400]

Nut material

Screw material Steel

Steel, dry 0,15 – 0,25

Steel, machine oil 0,11–0,17

Figur 8, som visar ståls friktionskoefficient för kulskruvar och gängstång. [7, p 408]

2.3.3.1

Momentberäkning kulskruv/trapetsgänga

Hållmoment = Ncm Momentreduktion = 𝑓𝑚

Beräkning på motorns hållmoment, reducerat med momentreduktion, samt omvandling från Ncm till Nm.

𝑁𝑚 =

((𝑁𝑐𝑚 ∗ (1 − 𝑓

𝑚

))

100

(6)

𝑁 =

𝑁𝑚

(𝑚/𝑣𝑎𝑟𝑣)

(2 ∗ 𝜋)

+ (

𝑑

2 ∗

𝜇

cos(𝑎𝑙𝑝ℎ𝑎)

180

)

(7)

2.3.4

Kuggmodul

För att två kugghjul ska kunna passa ihop med varandra krävs det att de delar samma kuggmodul. Modulen är kugghjulets delningsdiameter genom antalet tänder och dessa modulvärden används som standarder för kugghjul. Gällande passformer har pressvinkeln standardiserats till 𝛼0 = 20𝑜. Även delning har standardiserat till 𝒫 = 𝜋𝓂, där 𝔪 = modulen. Kuggmodulen är en väsentlig del i val av kugghjul då dess egenskaper påverkar kugghjulsformationens effektivitet samt livslängd. [1, p 399–400]

2.3.5

Kuggprofil (evolventprofil)

Den evolventa kugghjulsdesignen är den dominerande kugghjulsprofilen idag. Den började användas på 1800-talet och genererar väldigt lite motstånd i form av friktion vilket förhindrar större energiförluster.

Profilen har rundade tänder (även känt som kuggflanker) och medför att dessa rullar mot varandra när de gängar, vilket minimerar slitaget på kuggprofilen.

Evolventprofilen är en komplicerad geometri men kan definieras som en punkt som slungas runt en axel med en bestämd lutning. När punkten slungas runt axeln så blir också avståndet till centrum allt större, vilket genererar ett mönster som kallas evolventprofil.

Ingreppslinjen kallas den kontaktpunkt mellan två kuggar som möts på de båda kuggens topp och botten. Avståndet som de två kuggarna möts kallas ingreppssträckan g. Förhållandet mellan ingreppsdelningen och ingreppssträckan kallas ingreppstalet 𝜀. [8, p 93–105]

𝜀 =

𝑔

𝑝

𝑏

(9)

2.3.6

Koniska kugghjul

Används till att överföra ett vridmoment mellan två axlar i en 900 _{vinkel och kan överföra} utväxling som en rak kuggprofil, men har en större axial last. Koniska kugghjul behöver därför vanligtvis lagras med hjälp av olika lagerlösningar för att kompensera för de axiala lasterna. Namnet koniska kugghjul bygger på att kuggen på kugghjulen är formade som en kon, där de har en lutning. [1 p 390 - 408]

En konisk växel kännetecknas geometriskt av följande beteckningar.

Σ = axelväxel ℛ𝑒 = 𝑘𝑜𝑛𝑙ä𝑛𝑔𝑑

}

(8) 𝑏 = 𝑘𝑢𝑔𝑔𝑏𝑟𝑒𝑑𝑑 𝑧1= 𝑜𝑐ℎ 𝑧2= 𝑘𝑢𝑔𝑔𝑡𝑎𝑙 [3. P 191]

2.3.7

Planetväxel

Ett transmissionssystem som vanligtvis styrs av kugghjul. Består då av flera kugghjul samlade i en rörlig bärare. Dessa kugghjul som är placerade i bäraren går under följande namn; planethjul, solhjul och yttre drev. I mitten av växeln sitter solhjulet som är monterat centralt i bäraren. Runt solhjulet så roterar vanligtvis tre planethjul som i sin tur även är kopplade mot det yttre drevet. En planetväxel bidrar till olika mekaniska egenskaper beroende på vad man vill åstadkomma. Uppväxling, nedväxling eller rotationsriktning kan appliceras med hjälp av transmissionssystemet, och kräver väldigt liten yta. [1, p 484–487]

2.4 Terminologi

2.4.1

Ventilslid

I ventilen så kontrolleras vätskeflödena med hjälp en ventilslid som styrs av en positionerare. Positioneraren avgör vart sliden skall placeras horisontellt i ventilspåret, vilket leder till att den försluter samt öppnar utvalda vägar för vätskan att flöda genom. Detta är en central del i ventilhuset som avgör vart hydraulvätskan skall ta vägen, i kombination med en positionerare. [5]

Figur 9 - Ventilslid

2.4.2

Positionerare

Företagets elektrohydrauliska positionerare består av en proportionalmagnet och ett hydraulservo med en mekanisk lägesåterföring. Denna funktion avgör slidens position i ventilen och kontrollerar därmed vätskeflödena. I och med kravet på exakthet i ursprungsapplikationen så är precisionen på någon hundradels millimeter. Se figur 2. [5]

2.4.3

Styrsystem

En uppsättning av en eller flera enheter vars uppgift är att kontrollera och hantera andra produkter eller system. Helhetslösningen på företaget är ett elektro-hydrauliskt styrsystem som oftast består av fyra till fem enheter, vars uppgift vanligtvis är att utifrån operatör, styra och kontrollera att flöden åker dit dem ska. Detta generar kraften i maskinen där styrsystemet är applicerat. Alla delar i systemet finns i olika avancerade nivåer, och har då några differenser när det kommer till antalet funktioner.[5]

Manöverdonet (Left top 1) agerar som systemets gränssnitt och kommunicerar tillgänglig viktig information till operatören om exempelvis systemets status och vilka funktioner som är tillgängliga. Kontrolleras genom användandet av spakar och knappar av operatör och är kopplat genom radio eller kabel till resterande system. [5]

Radio-dekodern är den radioenhet som är mottagare av spak- och knappdata från manöverdonet och översätter denna data till meddelanden som skickas vidare via CAN-buss till styrsystemet. Samma princip gäller också åt andra hållet när manöverdonet skall ta emot information om systemet.[5]

Strömförsörjningsboxen är sambandscentralen i styrsystemet och läggs i läge när den försörjs av kraft från maskinen den är applicerad på. När boxen förses med ström så är systemet i bruk och resterande anordningar kan kopplas på. Är utrustad med flertalet säkerhetsfunktioner som täcker mjuk- och hårdvara. Tillkommer med informationsdisplay utrustad med lysdioder som talar om vilka lägen som är aktiva i systemet.[5]

Ventilstyrningen är enheten som mottager CAN-meddelandena som innehåller data från manöverdonet och strömförsörjningsenheten och omvandlar detta till pulsbreddmodulerad ström, PWM. Denna ström är sedan den som avgör hur magneten i positioneraren agerar och till följd av det, styr ventilsliden.[5]

2.4.4

Ventil

Ventilen är den största enheten i styrsystemet och är där man huserar de centrala funktionerna av flödestekniken. Se figur 10. Här utspelar sig alla hydrauliska moment genom flöden som färdas genom ventilens kanaler. Företaget använder sig av proportionalventiler, vilket är ventiler som är reglerade med hjälp av en elektrohydraulisk anordning. Genom denna anordning så för man en spole (ventilsliden) i linjär bana, som i sin tur täcker för olika kanaler inne i ventilen, som hydraulvätskan kan flöda genom. Detta för att få önskade egenskaper i maskinen där systemet är applicerat. [5]

2.4.5

Myntskruv

Myntskruven är en kopplingskomponent som företaget själva tagit fram. De använder sig av kopplingen till ett par av deras modeller. För att ventilsliden skall monteras ihop med positioneraren så nyttjas denna koppling.

3

Metod

Detta avsnitt kommer behandla upplägget om varför undersökningar har genomförts, och hur insamlingen av diverse data har verkställts. Detta för att säkerställa att informationen som samlas in har utförts på ett korrekt sätt, och att den håller god kvalité. För metoderna som används, kommer det förklaras hur man genomför dem, och på så sätt uppnår god kvalité i respektive fält. Nedanstående metoder som kommer beskrivas i den ordningen de har utförts.

3.1 Undersökningsmetod

Insamling av information i denna rapport har utförts genom att studera tekniska rapporter och att tillgå relevant expertis externt och hos anställda på företaget. Att samla information kräver att man genom rätt metoder får in information på sådana goda grunder, så att information kan kännas pålitlig och inte påverkad av interna faktorer som exempelvis egna åsikter.

3.2 Koppling mellan frågeställningar och metod

Huvudfråga: Hur utformas en positionerare för proportionalventilen som ska drivas helt

elektromekaniskt, och som uppfyller företagets kravspecifikation?

För att besvara arbetets huvudfråga så har den delats in i tre mindre delfrågor som skall motsvara uppdragsgivarens önskemål av uppdraget.

3.2.1

Frågeställning 1: Frågeställning 1 - Kan man med hjälp av en

stegmotor föra ventilsliden i önskad linjär position?

För att besvara studiens första fråga så genomfördes en förstudie för att ta reda på vilka olika lösningar som fanns till liknande problem på marknaden. Detta skulle ligga till grund för vilka tillgångavägssätt som redan fanns tillgängliga och som kunde vara intressanta för projektet. Genom att använda sig av TRIZ-metod så kunde studenterna iaktta befintliga system och mekaniska lösningar för att kombinera till visuella koncept.

3.2.2

Frågeställning 2: Vilken motorstorlek, metod för utväxling och

positionering är mest aktuell?

När förstudie var färdigställd och alternativ låg på bordet så påbörjades processen med enklare beräkningar för vilka krafter som skulle behövas för att utföra arbetet enligt bifogad kravspecifikation

.

När utvalda motorstorlekar var granskade och koncepten var klara så påbörjades ett sållningsarbete i samarbete med företaget. Detta sållningsarbete skulle generera ett koncept som framförallt höll dimensionskravet enligt kravspecifikation, då det ansågs vara av högsta prioritet. Genom presenterade metoder i detta kapitel för konceptsållning så togs ett vinnande koncept ut.

3.2.3

Frågeställning 3: Hur ska en prototyp på slutgiltiga konceptet

kunna se ut i fysisk form?

Efter att ett koncept var klart för vidare arbete så påbörjades arbetet med en konstruktionslösning. Denna lösning skulle tas fram med hjälp av en 3D-print för att kunna analyseras ytterligare. Vidare informationssökning och kontinuerliga möten med företaget genomfördes för att kunna förbättra prototypen.

3.3 GANTT-schema

Ett GANTT-schema är en grafisk illustration av hur en process eller ett projekt ska utföras. Metoden används för att skapa en bild av projektets magnitud och kunna bryta ner större mål till mindre mål, för att göra dem mer genomförbara. Schemat delar in projektets olika delmoment som skall utföras i vertikal axel (y-led), och projekts tidsram på den horisontella axeln (x-led). Bredden på schemats rutor berättar under hur lång tid det specifika momentet ska utföras.

[10, p 131–133]

Figur 12 - Urklipp av projektets GANTT-schema

3.4 Litteraturstudie

En litteraturstudie är en metod där insamling av publicerade vetenskapliga artiklar, böcker, rapporter och dokument. Genom att bearbeta en mängd relevant data så får man en större kunskap i det aktuella forskningsområdet. Att söka på internet efter relevant information genererar mycket data men kan ha blandad kvalité. Genom att använda sig av strukturerade databaser (Primo i detta arbete), som tillhandahåller flertalet rapporter och skrifter, så kan man gardera sig mot osäkra källor och på så sätt försäkra sig om tillförlitlig information.

De mest centrala studierna presenteras under det teoretiska ramverket och ligger till grund för flera metoder som har använts.

3.5 Förstudie

Arbetet som ligger till grund för att formulera examensarbetets problem och frågeställning. Här tar man reda på all nödvändiga fakta som är relevant för projektet genom flertalet analyser som funktion-, marknad, och konkurrentanalyser. Detta innefattar även att införskaffa data som behövs för att komplettera problembeskrivningen.

3.5.1

Datainsamling

Vid behov av information används flera metoder för att införskaffa denna. Allra vanligaste formerna är intervjuer, enkäter eller observationer. Genom att tillämpa dessa metoder kan man få värdefulla data att utvärdera som används senare i projektet.

3.5.1.1

Semistrukturerad intervju

En intervjuform som bygger på mer breda och öppna frågor, istället för att följa en detaljerad frågeställning. Detta öppnar upp för ett mer naturligt och djupare samtal och kan bredda frågeområdet avsevärt.

3.5.2

Konkurrensanalys

Är ett verktyg för att identifiera andra tjänster eller tillverkare som levererar samma typ av produkt som ens egna dvs. få en uppfattning om hur marknaden ser ut. Verktyget används då för att peka ut för- och nackdelar hos konkurrenter som väljs ut. Vinsten med att driva en konkurrensanalys är att kunna evaluera alla för- och nackdelar och att sedan kunna applicera potentiella förbättringar eller ändringar som kan höja kundvärdet och göra den egna produkten starkare på marknaden.

3.5.3

Marknadsanalys

En marknadsanalys är ett verktyg för att undersöka en befintlig marknad, för bland annat hur användarna resonerar kring produktegenskaper som skulle vara relevanta för tjänsten eller produkten som företaget erbjuder. Genom att studera en målgrupp så kan företaget identifiera vilka attribut hos en potentiell produkt som väger tyngst respektive minst, för att eventuellt kunna applicera dessa krav på sin egen tjänst/produkt för att göra den mer konkurrenskraftig. Inom begreppet marknadsanalys döljer sig flera mindre analyser som tar hänsyn till olika områden. Exempel på dessa är relationsanalys, där man analyserar kundrelationer (ovanstående), och omvärldsanalys, där man undersöker olika marknader (omvärlden).

3.5.4

Funktionsanalys

Denna analys avser att undersöka en produkts funktioner, och avgöra vilka funktioner som ses som vitala för produkten, och vilka som är mindre viktiga. Detta visas grafiskt genom ett träd där man listar funktionerna och dess betydelse för produkten. Genom att identifiera vilka funktioner som finns i en produkt, så kan de delas upp dessa genom kategorierna huvudfunktion, nödvändig funktion och önskvärd funktion. Huvudfunktion avser den funktion som är bärande för hela produkten, d.v.s. uppfylls inte denna så saknar produkten syfte. Denna huvudfunktion är beroende av andra underliggande funktioner som behövs för att produkten skall fungera, men inte nödvändigtvis det som produkten är menad att utföra. Dessa funktioner kallas nödvändiga funktioner. Önskvärda funktioner är egenskaper som inte behövs för produktens fungerande tillstånd, men kan vara uppskattad av en potentiell användare. Funktionsanalysen kan vara till underlag när man inom produktutveckling skall utveckla en produkt och ska utforma kravspecifikationen, eller att man exempelvis skall utföra en QFD. [4, p 72–78]

3.6 Quality function deployment (QFD)

En metod som används till att centrera användarkraven i en tabell, där resultatet blir en rangordning på de olika användarkraven. Det ligger i sin tur sedan till grund för huvudinriktningen på designen.

¨House of quality¨ är en viktig del i en QFD. Det är en grundläggande del av designverktyget vid inläggning av de olika kvalitetsfunktionerna man vill lista. Den hjälper till att verkställa en rangordning av kundens önskemål i en skala, där resultatet blir tydligt för designern

Den fungerar på så sätt att man viktar designkrav gentemot kundönskemål. Där rankas de olika kundönskemålen i en skala från 1–5, där 5 är det högst rankade och 1, det lägst rankade. Där korsar man varje kundönskemål med varje designkrav och sätter en siffra som symboliserar hur aktuell den är i sammanhanget. Den slutgiltiga poängskalan ges i skalan 1, 3, 9. Processen fortsätter tills alla kundkrav har mött alla designkrav.

Effekten efter en utförd QFD blir då en rankningslista där användaren får reda på i vilken/vilka kundkrav som är viktigast att uppfylla, och därmed får en god insikt på hur utvecklingen ska fortsätta.

Det finns ett par negativa aspekter med att använda sig av en QFD matris. Många anser att processen är långsam och tidskrävande. Den anses också vara komplicerad att utföra på ett korrekt sätt. Fördelarna med att använda sig av en QFD-metodik när en produkt eller liknande skall tas fram är att produktutvecklarna får en tydligare bild av marknaden och vad kunden verkligen vill ha. Det minskar dock risken till att ta fram en misslyckad produkt sett till marknaden.

[9, p 21–38]

3.6.1

Parvis viktning

Är en metod för att ställa olika behov mot varandra och rangordna dem efter hur viktiga de är för konceptet. Behoven ordnas upp i tabellform där man infogar dem spegelvänt mot varandra i horisontal- och vertikalled. När man jämför två alternativ mot varandra (varav namnet parvis) så ges alternativet som anses vara viktigast ett poäng, och det mindre betydelsefulla ges noll poäng. När alternativ ses som lika viktiga så kan 0,5 delas ut som poäng till båda alternativen. När man har jämfört alla alternativ mot varandra och delat ut alla poäng så summeras poängen till höger i tabellen och man kan avgöra vilka behov som är viktigast. Genom att rangordna dem i den ordning som poängen anger så kan man använda resultatet i senare sållningsmatriser för att avgöra vilka funktioner som är vitala vid röstning för olika koncept.

3.7 Go/no go

Används inom konstruktion, psykologi och militär vid sållning av koncept/idéer. Metoden är en välkontrollerad och stadig process som på ett simpelt sätt hjälper användaren att sålla bort den stora mängden koncept till en mycket mindre mängd koncept. Vanligtvis handlar det om att man besitter alldeles för många koncept och behöver få bort flertalet av dem, utan att behöva gå in i detalj på varje koncept.

Metoden fungerar på så sätt att man sätter go, eller no go på varje koncept utifrån uppsatta villkor. Villkoren är sedan tidigare insamlade och uppställda i funktionsanalysen. Där jämför man de olika koncepten med funktionerna ifrån funktionsanalysen. Där sätter man go om man anser att det konceptet uppfyller det aktuella villkoret. Eller så sätter man no go, om man anser att det konceptet inte uppfyller villkoret.

Det kan också uppstå situationer där det ej är möjligt att varken sätta go eller no/go. Då finns möjligheten att sätta ut ett frågetecken. Det innebär att man i nuläget saknar tillräcklig information på den punkten. Frågetecknet gör så att koncepten ändå går vidare, men kompletterande information skall samlas in för att klargöra.[11, p 180]

3.8 TRIZ

En metod som kom till i Ryssland under 1940-talet. Metoden är ett system som kom till med två huvudkategorier i åtanke, som utvecklats för att tillgodose ett behov för innovativ problemlösning, och är främst menad till att användas av ingenjörer.

Metoden används på för att lösa upp knutar och problem som uppstår under

produktutvecklingsprocessen. Den hjälper till för utvecklaren att på ett innovativt sätt lösa de tekniska problem som kan uppstå under utvecklingsfasen av nya idéer. Den hjälper även till att skapa en konceptuell ram som på ett effektivt sätt lokaliserar alternativ systematiskt. Metoden är lätt att använda för att skapa bättre förståelse om en produkt eller ett område som teamet eller utvecklaren har en liten teknisk utbildning för. Den är bra att tillämpa för

utvecklare eller teams när de behöver ta nya steg utanför den normala bekvämlighetszonen inom det tekniska område de håller sig inom.

Metoden menar att flera decennier av ingenjörsvetenskap har lett till otaligt många tekniska framgångar. Många av dess framgångar går att nyttja, istället att från grunden försöka lösa ett problem själv. Flera tekniska mönster eller lösningar går att använda till andra

industriområden än vad det var skapade för, och är därför fördelaktigt att titta närmare på. TRIZ-metoden är sammanfattningsvis ett sätt att titta på befintliga lösningar och tidigare idéer för att lösa ett aktuellt problem, istället för att diskutera fram egna innovationer. Genom att implementera TRIZ kan man spara både tid och pengar för olika projekt. [4, p 110]

3.9 Pughs-matris

Pughs-matris är en metod för att utvärdera och sålla framtagna koncept. Den används vid situationer när exempelvis en designer eller ett team av produktutvecklare ska besluta vilket av de mest framstående koncepten efter den grundläggande sållningen de ska gå vidare med, och sortera bort de mindre bra enligt de viktningarna från till exempel QFD man använde sig av tidigare. Pughs-matris är bra att använda att vid tillfällen man behöver hjälp att på ett systematiskt och objektivt sätt välja bort mindre bra lösningar till ett problem.

Metoden är relativt enkel att använda sig av, och kan därför användas vid en mängd olika problem. Används som oftast inom konstruktion, men också inom ingenjörsyrket generellt. [4, p 130–137]

För att kunna använda sig av en Pughs-matris så måste man först 1. Ha olika lösningar till problemet

2. Uppsatta kriterier som används till rangordningen av de olika koncepten

Metoden fungerar så att man listar de olika koncepten mot varandra, där man värdesätter dem genom gemensamma egenskaper enligt en uppsatt skala som kan vara en siffra mellan 1–5. Då är värdet 5 de viktigaste egenskaperna och 1 är de minst viktiga. När poäng är fördelade mellan de utvalda konceptens egenskaper så summeras poängställningen och förhoppningsvis generar man ett koncept med mer poäng än de andra koncepten, som då går vidare i sållningen. Koncepten placeras vanligtvis i överkant, samt de olika kriterierna i en kolumn till vänster. I matrisen bland de utvalda koncepten placeras vanligtvis en befintlig konkurrent inom det aktiva området, som också betygsätts enligt kriterierna. Där breddar man effekten av en Pughs-matris då man inte bara får ut det bästa konceptet, utan ett resultat på hur koncepten står sig mot konkurrenter på marknaden. [4, p 130–137]

3.10

Gut-feel

En metod som grundar sig i att magkänslan hos utövaren avgör för vilka idéer eller beslut som skall tas. Denna metod kräver att personen i fråga har tillräcklig kompetens inom området så att utkomsten av besluten generar goda förutsättningar för att lyckas driva vidare projektet. I situationer när man ny i en domän och kanske inte kan driva genom förslag eller idéer på egen god grund, kan man behöva en eller flera andra individer med erfarenhet nog att generera idéer och beslut. [10, p 192–194]

3.11 Solidmodellering

Avser “Computer-aided design” och är ett verktyg för att på en digital plattform skapa, modifiera, analysera och designa diverse tekniska konstruktioner. Med CAD-program kan man skapa en förbättrad kommunikation mellan designers och tillverkare, genom att illustrera visuellt en genererad 3D-modell av skissen. Idag finns flera olika plattformar med digitalt tekniskt skapande som inriktar sig till olika branscher där framförallt ingenjörer verkar, allra vanligast hos företag som jobbar med tillverkning och konstruktion. Används ofta till produktframtagning, då programmet förenklar simulationer av produkten.

[4, p 257–258]

3.12

3D-printing (FFF, friformframställning)

3D-printing är en framställningsmetod som med en 3D-skrivare tillverkar tre-dimensionella detaljer från huvudsakligen CAD-filer. En 3D-skrivare brukar vanligtvis producera detaljer av plast, men det finns även skrivare som tillåter andra material som till exempel glasfiber och metall. Användaren kan bestämma hur mycket fyllning en detalj ska ha, vilket menas att man inte fyller detaljerna helt med material, utan lägger då endast mindre lager av material för att skapa ett skal. Detta sparar både tid och material vid tillverkning, men försämrar egenskaper som robusthet och hållfasthet.

Vid friformframställning så är skrivaren är utrustad med flera stegmotorer som förflyttar ett munstycke vertikalt och horisontellt över en tom basplatta som vanligtvis är 30x15mm. Initialt är plasten i fast tillstånd, som sedan värms sedan upp och genom ett munstycke så rinner den uppvärmda plasten (även kallat filament) ut och läggs lager på lager på basplattan som då bildar solider. Vid friformframställning kan skrivarna ställas in till ett begränsat antal andra material i utskriftsprocessen för att bland annat förstärka detaljerna vid önskade positioner.

Används huvudsakligen för syftet att visa på design som har skapats i CAD-program. Brukar inte användes i produktion men undantag finns, då detaljerna inte håller samma kvalitet som om man skulle tillverka dem på traditionellt vis. 3D-printing används då gärna till att visa prototyper och koncept, med ett begränsat mekaniskt värde. [4, p 258–259]

3.13

Prototyp

En prototyp är en fysisk modell av en produkt som används för att påvisa egenskaper som exempelvis komfort, hållbarhet och storlek. Syftet med en prototyp är att få en större förståelse för en produkt som innan har varit begränsad till ett CAD-program.

[10, p 117 – 118]

I det här arbetet kommer en prototyp att vara till mestadels byggt på 3D-printade komponenter. Ett sätt att få arbetet mer realistiskt och få en tydligare bild över konceptens verkliga utseende samt funktion. Prototyperna används till att utvärdera koncept och genomgå sållning med dem, och sedan för att förbättra en eventuell slutlösning.

3.14

Kvalitetskontroll

Ett viktigt moment i produktutveckling är kvalitetskontroll. Detta görs för att säkerhetsställa funktionen hos den slutgiltiga användaren. För att kunna göra det behöver man bestämma vilka egenskaper och mått hos produkten som är viktiga. Sedan testas de viktiga egenskaperna som är kritiska hos produkten för hur den fungerar för användaren, detta indikerar då i om produkten uppfyller prestandakraven. [12, p 159].

3.15 Validitet och reabilitet

Stor del utav besluttagandet i sållningsprocessen har gjorts med hjälp av diskussion med representanter ifrån företaget. Företaget har en lång historik inom hydraulik och konstruktion, deras kompetens inom området är stor och god. Med hjälp av deras konstruktörer har våra koncept samt prototyper tagits fram och de har beslutat vilken de anser är bäst och mest relevant inom området. Deras besluttagande har varit central med avseende på deras kompetens och genererat god reabilitet. Insamlingen av fakta har varit på en bred front. Hämtat från en rad olika metoder, ifrån böcker, publicerade texter, internet och i samtal med personer med stor erfarenhet inom området. Allt för att bredda och säkerhetsställa informationens relevans och styrka.

4

Genomförande och resultat

Kapitlet ger en beskrivning av studiens resultat samt studiens genomförande. Kapitlet är dokumenterat i den ordning arbetet genomförts.

4.1 Genomförande och resultat-frågeställning 1

- Kan man med hjälp av en stegmotor föra ventilsliden i önskad linjär position?

4.1.1

GANTT-schema

I början av projektet sattes ett GANTT-schema. Genom schemat [se bilaga] så planerades alla aktiviteter som skulle genomföras under projektets gång, och hur mycket tid som skulle disponeras till dessa. Dessa aktiviteter placerades i kronologisk ordning från överst till underst och lade grunden till projektarbetets planering. I planeringen bifogades även kontinuerliga möten med handledare från skola och ansvariga från företaget, och även en redovisning av projektets resultat för företaget i slutet av projekttiden.

4.1.2

Förstudie

Förstudien genomfördes för att ta reda på vilka olika tekniska alternativ som fanns på marknaden, och som kunde appliceras på ventilen. Genom att undersöka litteratur och internet så togs information fram om olika metoder om hur man kunde generera en linjär kraft med ett roterande moment. Denna information skulle ligga till underlag för en konceptgenerering. Observation av ventilhusets tillverkning och användning och samtal med anställda konstruktörer bidrog även till förstudien.

En stor del av datainsamlingen riktade in sig på att innehålla kunskap om framtagning av kugghjulsstyrda komponenter, tankar och idéer när man komponerar ihop flera kugghjul i en gemensam rörelse, samt hur man beräknar den önskade utväxlingen. Även granskning av studier som omfattar rotationsskiftning ingick, något som ansågs relevant i studien då det utifrån problembeskrivningen klargjordes att produktionskraven omfattade en specifik kraft, position och rörelse.

4.1.3

Funktionsanalys

En funktionsanalys upprättades med syftet att poängtera de olika funktionerna som positioneraren skulle uppfylla. Genom att analysera kravspecifikationen och diskutera med företaget togs funktioner ut och rangordnades genom vilken betydelse de hade för positioneraren. Betydelsen av funktionen är indelad genom klasserna HF, N och Ö.

Figur 13 - Projektets funktionsanalys

Till vänster placerades positionerarens användningsområden. Bifogad kommentar till höger är menad till att avgränsa positionerarens funktion till rätt område, och innehållet av kommentaren är mätbart. Funktionsanalysen täcker funktioner som uppskattades finnas på positioneraren, men utelämnar förslag på hur de uppnås. Tanken här är att poängtera funktionernas centrala betydelse för projektet, och för att sedan användas i sållningsarbetet, då olika krav ställs mot varandra och måste viktas gentemot varandra.

I funktionsanalysen framgår det att ”förflytta kraft” ses som den viktigaste delen av positioneraren, vilket även framgår i kravspecifikationen. Funktionsanalysens resultat gav projektet en viktig förståelse över vilken rangordning flera funktioner i positioneraren hade, och som skulle ligga till grund för kommande konceptsållningar.

4.1.4

Intern marknadsanalys

Denna analys avsåg företaget som användare och därför användes kravspecifikationens punkter som produktegenskaper. Dessa egenskaper studerades och värderades därefter med vilka attribut som ansågs vara viktigast för företaget. Resultatet av den interna marknadsanalysen blev att förtydliga studiens produktegenskaper i koncepten för att säkerställa att produktegenskapernas rangordning stämde överens med verkligheten.

4.1.5

Konkurrensanalys

Som en del av förarbetet genomfördes en konkurrensanalys för att identifiera konkurrenter som hade liknande lösningar i sina sortiment. Denna analys användes sedan för att genomföra en Pughs-matris. Enligt marknadsundersökningen är Sonzebos det enda företaget på marknaden som tillverkar en liknande lösning. Här studerades deras lösning, för att få en bild av att detta

4.1.6

QFD (Parvis Viktning)

När studieunderlag hade införskaffats så kunde en QFD påbörjas. En fullständig QFD ansågs inte nödvändig då endast underlag för viktning motiverades nödvändigt vid denna tidpunkt, så därför begränsades QFD:n endast till en parvis viktning för att säkerställa att de olika funktionerna rangordnades korrekt efter betydelse för produkten.

Figur 14: Parvis viktning. Källa: Författare

4.1.7

Summering/utvärdering av förstudie

En stor del av den insamlade informationen var från filmer som beskrev mekaniska produkter och grundliga mekaniska funktioner. Flertalet informationsfilmer behandlade teori och visualiserade användning av kugghjul på både små och stora ytor, och andra tillämpningar som trapetsgängor. Informationen användes till inspiration för konceptgenereringen, vilket gjordes med hjälp av TRIZ – metoden.

Med den insamlade informationen applicerades en QFD-matris in. Här listades företagskraven mot den insamlade data för att generera fram vilka produktegenskaper som hade störst betydelse.

4.1.8

Konceptgenerering genom TRIZ

Med produktkraven i åtanke började arbetes praktiska del ta fart. Skisser påbörjades och med hjälp av informationen om stegmotorer, och vetskapen av utväxlingens betydelse för projektet, togs en rad olika koncept fram. Genom att observera redan befintliga applikationer där stegmotorer användes, med hjälp av TRIZ-metoden, så observerades flera tillvägagångssätt för hur man kunde använda stegmotorn. I tekniska verktyg som 3D-skrivare, CNC-maskiner och andra precisionsmaskiner så användes stegmotorerna på ett liknande sätt. I samtliga områden så konverterades stegmotorns roterande moment till ett linjärt, och den vanligaste applikationen var genom en trapetsgänga med ett kullager. När de väsentliga områdena som använde sig stegmotorer var undersökta så togs koncept med inspiration från moderna stegmotorsanvändningar fram.

Det togs även fram koncept som omvandlade kraft och riktning med mer traditionella lösningar, som var olika varianter på kugghjul. Dessa tekniska koncept togs ut med hjälp av TRIZ, men hade inte samma förekomst vid applikationer där stegmotorer användes. Inspiration till dessa var från litterära källor och information från internet som behandlade utväxling. Se figur 15–18 för konceptbilder.

4.1.8.1

Koncept Snäckväxel

En snäckskruv på stegmotorn som driver ett snäckhjul, där ett mindre hjul är låst på det stora, som sedan driver en kuggstång framåt. Kuggstången driver sedan ventilsliden fram och tillbaka linjärt. Ett koncept som producerar en stor utväxling på liten yta, men som har en stor friktionskraft samt kraftförlust. Detta koncept kan ej drivas i båda riktningar, utan kan endast drivas från snäckskruven. Vid rotation från snäckhjul till snäckskruv så låser sig funktionen.

Figur 15 - Koncept 1

4.1.8.2

Koncept Trapetsgänga

En rörelseskruv och trapetsgänga monterat direkt på stegmotorn, där skruven drivs framåt i en linjär rörelse utan rotation som sedan trycker ventilsliden fram och tillbaka. Motorn är här placerad direkt i riktning mot ventilsliden för att producera kraften i önskad riktning direkt. Ett koncept som producerar en stor linjärkraft med få komponenter på liten yta. Kräver ett högt varvtal utan motorn.

4.1.8.3

Koncept Vinkelväxel

En vinkelväxel i form av koniska kugghjul som sitter monterad på stegmotorn för att ändra vinkel på den utgående kraften från motorn. Ett mindre koniskt kugghjul driver en större koniskt kugghjul. I detta koncept behövs ett litet koniskt kugghjul monteras fast på det stora som med hjälp av en kuggstång skulle kunna flytta sliden linjärt. Utväxlingen mellan det stora samt de lilla kugghjulet är centralt beläget. Konceptet kräver en större area och många komponenter. Antalet tänder på de koniska kugghjulen genererar utväxlingen.

Figur 17 - Koncept 3

4.1.8.4

Koncept 3- Kugghjul/kuggstång

Motorn är här istället placerad vinkelrätt mot ventilen för att producera det drivande momentet i önskad riktning. Ett litet kugghjul sitter monterat direkt på motorn som driver ett större kugghjul för att få en så pass stor utväxling som möjligt. På det stora hjulet sitter i sin tur ett mindre hjul som driver en kuggstång i den önskade linjära riktningen. Konceptet får sin utväxling genom samma relation mellan tänderna som konceptet ovan, mellan de små kugghjulen och det stora. Kräver stor yta och innehåller många olika komponenter.

4.1.8.5

Koncept planetväxel

Ett koncept på en planetväxel togs även fram. Planetväxeln producerar stor utväxling på liten yta, men är komplex och den tappar mycket hastighet genom processen.

Figur 19: Illustration av planetväxel

4.1.9

Summering av frågeställning 1

I de 5 koncepten sågs potentialen till att lösa problemet. Alla koncepten genererar en viss grad utväxling och alla växlar riktning av kraften till en linjär rörelse, och därmed är fråga 1 besvarad. Det fungerar alltså att med hjälp av en stegmotor föra ventilsliden i önskad linjär position.

4.2 Genomförande och resultat-frågeställning 2

- Vilken motorstorlek och metod för utväxling och positionering är mest aktuell?

4.2.1

Sållning av koncept

För att sortera ut vilka koncept som var mer aktuella än de andra användes en rad olika sållningsmatriser. Koncepten gick genom en Go/No go-sållning där planetväxeln togs bort på grund av komplexiteten och kostnaden, medan vinkelväxeln med koniska kugghjul gick vidare med behov av mer information om hur en linjär rörelse skulle appliceras på det framtagna konceptet. Här gick antalet aktuella koncept ner ifrån fem till fyra och de fyra kvarstående koncepten togs därmed vidare för ytterligare sållning samt utvärdering.

Figur 17, Go/no go matris

De tre koncepten snäckskruv, trapetsgänga och 3-kugghjul uppfyllde det första kravet bäst, då de på minst yta växlade kraftriktningen från den roterande motorn till en linjär rörelse inom kravspecifikationens måttkrav. Vinkelväxeln med koniska kugghjul kunde inte leverera samma utväxling på samma area och behövde bearbetas ytterligare.

4.2.2

Framtagna koncept

Här togs modeller fram på de tre olika koncepten i realstorlek, genom användning av en 3D-printer, där de inom ramen av måttkraven gestaltades i verkligheten för en förbättrad syn på hur konceptet skulle kunna se ut i verkligheten, och observera defekter man vanligtvis inte noterar på modelleringsprogrammen. Koncepten printades därför ut och monterades ihop för observation och värdering.

För koncepten som skulle utvärderas efter 3D-printing så var en anordning för mekaniken nödvändig för att testa funktionen. Koncepten har därför modifierats med unika

uppsättningar för att mekaniken ska kunna påvisa sina funktioner. Alla koncept har dokumenterats med identiska stegmotorer. Se figur, 18, 19 och 20.

4.2.2.1

Koncept 3-kugghjul/kuggstång

3D-printad kugghjulanordning med kuggstång, monterad med en stegmotor. Med anordningen printades även en behållare som erhåller samma mått som bifogas i kravspecifikation 2, detta för att illustrera måttkravens gränser. I behållaren monteras även en axel som agerar som stöd för det stora kugghjulet och det tredje hjulet som ligger i kontakt med kuggstången. Ner till höger (silvrig detalj) applicerades en distans för att hålla kuggstången på plats när den flyttades linjärt. Kugghjulen samt kuggstången är modellerade i modul 0,5 för att minimera storleken så mycket som möjligt.

Figur 18 – Koncept 3-kugg

4.2.2.2

Koncept Snäckväxel

3D-printad anordning bestående av en snäckskruv och ett snäckhjul. Detta koncept skapades anordningen istället med hjälp av företagets testlaboratorium och tillverkades även med metall. Här är de två plastdetaljerna monterade på en metallplatta, där snäckhjulet fästs genom en axel på plattan, och snäckskruven monteras i kontakt med hjulet, direkt på stegmotorns axel. Stegmotorn sitter på plats med hjälp av en metallklack som omringar den på tre sidor.

4.2.2.3

Koncept Trapetsgänga

3D-printad anordning med en trapetsgänga och en rörelseskruv. Trapetsgängan är utskriven med ett hål för att kunna fästas direkt på stegmotorns axel. Rörelseskruven är ej funktionell, utan har endast fästs på för att få en bild av hur det skulle se ut.

Figur 20– Koncept

4.2.3

Konceptutvärdering med företaget

Här samlades ett par representanter från företaget, en konstruktör och en hydraulikexpert för att evaluera koncepten och föra en dialog angående för och nackdelar gällande de tre koncepten. sedan skulle ett beslut tas från företagets sida, om vilket koncept som besatt högst potential att lyckas, och som sedan skulle tas vidare till vidareutveckling av konceptet.

Här presenterades de vinnande koncepten från första sållningen, koncept 1, 2 och 4, men även de tidigare koncepten som sållats bort för att visa på flera alternativ. Företaget sorterade bort koncept 1, på grund av anledningen att en snäckväxel är självlåsande så fort den drivande komponenten stannar, vilket i det här fallet är motoraxeln som driver snäckskruven. Om snäckskruven inte snurrar, så roterar inte heller hjulet eller kuggstången. Och med det så kan inte sliden förflyttas när motorn inte drivs och det kan i sin tur leda till att hydraulolja läcker ut, något företaget ansåg var så pass negativt att det konceptet föll bort.

Koncept 2 och 4 ansågs båda ha god potential. Här togs ett gemensamt beslut tillsammans med företaget att samla in mer information angående koncept 2 och 4. Att ta fram fakta som bevisar teoretiskt att de är kraftfulla nog på den givna arean att utföra arbetet. Här eftersöktes beräkningar som påvisade att konceptet uppfyller area- samt kraftkraven i kombination med varandra.