Konstruktionsprinciper för svetsad 25 MPa hydraulisk cylinder

Konstruktionsprinciper för svetsad 25 MPa

hydraulisk cylinder

Andreas Holmqvist

Stefan Larsson

Examensarbete

Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling

LIU-IEI-TEK-A--07/00200--SE

Förord

Denna rapport är resultatet av ett examensarbete utfört på civilingenjörsutbildningen i maskinteknik vid Linköpings universitet. Examensarbetet har utförts på utvecklingsavdelningen för hydraulcylindrar vid Bosch Rexroth AB i Älvsjö. Arbetet innefattar utveckling av olika konstruktionsprinciper för en hydraulcylinder.

Vi vill tacka alla som på ett eller annat sätt hjälpt oss under arbetets gång. Framför allt vill vi tacka vår handledare på företaget, Fredrik Svensson, som stöttat oss samt hjälpt oss med information och vägledande synpunkter. Vi vill även rikta ett stort tack till vår examinator tillika handledare på LiTH, Johan Ölvander, som kommit med vägledning, tänkvärda diskussionsämnen och visat stor hjälpsamhet.

Vi vill tacka alla vid utvecklingsavdelningen på Bosch Rexroth för mycket intressanta diskussioner och stor hjälpsamhet under hela arbetets gång. Även till Hans Rönnqvist vid avdelningen för kundstöd riktas ett stort tack för hjälp i laboratoriet och goda tips. Vi tackar även Björn Stenbom vid pneumatikutveckling i Älvsjö för alla reflektioner och vägledning i arbetet.

Stockholm, juni 2007

Sammanfattning

Utvecklingsavdelningen för hydraulcylindrar på Bosch Rexroth AB har identifierat ett marknadssegment för en lågpriscylinder som kan arbeta med högt tryck. Företaget har idag en lågpriscylinder på marknaden och vill vidareutveckla denna för att klara högre tryck. Detta examensarbete har utförts som en förstudie med syftet att presentera olika konstruktionslösningar av nuvarande cylinders ingående delar, för att erhålla de önskade egenskaperna.

Arbetet började med att ingående bryta ner den nuvarande cylindern i mindre delar för analys. Det gjordes även en studie av konkurrenterna och vad deras sortiment har att erbjuda. I studien framkom att den sökta typen av cylinder redan idag finns på marknaden, vilket tyder på att efterfrågan finns samt att målet med utvecklingsprojektet inte är orealistiskt. När förståelsen av problembilden blivit klar kunde ett antal kritiska områden preciseras.

För att få fler infallsvinklar om hur problemen kan behandlas, utfördes litteraturstudier. Litteraturstudierna resulterade i flera olika beräkningsteorier att använda. Teorierna utvärderades och applicerades sedan på de kritiska områdena. Ett flertal koncept att lösa problemen genererades fram och utvärderades mot de konstruktionskriterier som tidigt i utvecklingsarbetet hade identifierats. Trovärdigheten i de beräknade koncepten granskades sedan med hjälp av praktiska tester i företagets laboratorium. Slutligen kunde rekommenderade lösningar till företaget presenteras.

Beräkningarna visar att förändringar behöver göras i cylindern. Godstjockleken i cylinderröret bör ökas för att klara det högre trycket. Även dimensionerna i framgavel och i bakgavel ökas för att erhålla en mer robust cylinder. Gängförband mellan kolv och kolvstång modifieras för att motstå den ökade spänningen som uppstår på grund av högre tryck. För att säkerställa att modifieringarna är tillräckliga måste fler prover utföras.

Abstract

The department for development of hydraulic cylinders at Bosch Rexroth AB has identified a demand for a low price hydraulic cylinder that is designed for high pressure. Today the company has a low price hydraulic cylinder which they are interested to develop for higher pressure. Therefore, a feasibility study was made. The purpose of this thesis work is to present different kinds of design solutions for the present cylinder and its elements, to reach the wanted qualities.

The thesis work started up with a detailed analysis of the present cylinder. A state-of-the-art was also made to get an overview of what there is on the market today. In this study, it was found that a high pressure cylinder for a low price already exists on the market. Hence, there is a demand for such a cylinder and it should be possible to develop a cylinder for heavy applications. When the comprehension of the problem was clear, some critical areas could be identified.

To increase the understanding of the problem and find examples of how different problems can be treated, a study of literature was made. The study resulted in several useful estimation theories. The theories were evaluated and then applied to the critical areas in the present cylinder. Several concepts to solve the different problems were generated. The concepts were then evaluated against the design criterions identified at an early stage in the development process. The credibility of the calculated concepts was verified with practical experiments in a laboratory at the company. Finally, the recommended solutions were presented for the department of development at the company.

The calculations show that several changes are needed in the present cylinder. The thickness of the cylinder pipe is increased to manage the higher pressure. Also, the dimensions of the front end cover and the rear end cover are increased to receive a more robust cylinder. The threaded join between the piston and the piston rod is modified to resist the increased tension due to the higher pressure. More laboratory tests are needed to guarantee the sufficiency of the implemented modifications.

Innehållsförteckning

1.6AVGRÄNSNINGAR OCH PRECISERING AV CYLINDERMODELL...9

1.7UTFÖRANDE OCH DISPOSITION...10

TEORI OCH METOD FÖR PRODUKTUTVECKLING...13

2.1VAL AV MODELL FÖR PRODUKTUTVECKLING...14 2.2MISSION STATEMENT...14 2.3ETABLERING AV MÅLSPECIFIKATION...15 2.4PROJEKTERING...15 2.5GENERERING AV KONCEPT...16 2.6BESLUTSPROCESSEN...17 2.7PROJEKTPLANERING...19 HYDRAULCYLINDERN...21 3.1FUNKTION...22 3.2ANALYS AV CDL1...23 FÖRSTUDIE...27 4.1BAKGRUND...28

4.2STATE OF THE ART...28

4.3KONSTRUKTIONSKRITERIELISTA...30

PROBLEMGRANSKNING ...33

5.1KRITISK GRANSKNING AV PROBLEMET...34

5.2PROBLEMHANTERING...35

ANALYS AV TJOCKLEK PÅ CYLINDERRÖR ...37

6.1NUVARANDE SITUATION...38

6.2BERÄKNINGAR...38

6.3RESULTAT...39

6.4SLUTSATSER KRING BERÄKNINGAR FÖR CYLINDERRÖRSTJOCKLEK...40

ANALYS AV SVETS ...41

7.1FUNKTION...42

7.2NUVARANDE SITUATION...43

7.3PROBLEM VID HÖJT TRYCK...44

7.4BERÄKNINGAR FÖR SVETSFOG VID BAKGAVEL...45

7.5UNDERSÖKNING AV SVETS VID ANSLUTNINGSKUTS...49

7.6RESULTAT...50 ANALYS AV SPÄNNINGSKONCENTRATION...51 8.1FUNKTION...52 8.2NULÄGE...52 8.3BERÄKNINGAR...52 8.4RESULTAT...55 ANALYS AV GÄNGFÖRBAND ...57 9.1FUNKTION...58 9.2NUVARANDE SITUATION...58 9.3FÖRSPÄNNINGSKRAFT...59

9.5ANALYS AV FÖRBAND MELLAN FRAMGAVEL OCH CYLINDERRÖR...67

9.6ANALYS AV GÄNGFÖRBAND MELLAN KOLVSTÅNG OCH KOLVSTÅNGSÖRA...75

KONSTRUKTION AV PROTOTYP ...79

10.1PROTOTYP 1...80

10.2PROTOTYP 2...83

10.3PROTOTYP 3...84

RESULTAT, DISKUSSION OCH SLUTSATS...87

11.1RESULTAT...88 11.2DISKUSSION...89 11.3SLUTSATS...92 REFERENSER ...93 12.1SKRIFTLIGA REFERENSER...94 12.2MUNTLIGA REFERENSER...95 12.3INTERNETREFERENSER...95

Tabellförteckning

Tabell 2-1. Morfologisk matris ... 17

Tabell 4-1. Konstruktionskriterielista... 31

Tabell 9-1. Amplitud och statiska spänningar i dagens cylinder med hänsyn till spänningskoncentrationer ... 61

Tabell 9-2. Uppkomna skjuvspänningar i dagens cylinder ... 61

Tabell 9-3. Spänningar som uppkommer i förbandet på grund av högre trycket... 62

Tabell 9-4. Skjuvspänningar och uppkommen spänning i förbandet av förspänningskraften ... 62

Tabell 9-5. Spänningar som uppkommer vid beräkning av koncept 1... 62

Tabell 9-6. Skjuvspänningar som uppstår i koncept 1... 62

Tabell 9-7. Amplitud och statiska spänningar som verkar i förbandet vid koncept 2 ... 63

Tabell 9-8. Skjuvspänningar i koncept 2 ... 63

Tabell 9-9. Spänningar med hänsyn tagen till spänningskoncentration i koncept 3 ... 63

Tabell 9-10. Skjuvspänning som uppkommer på gängorna i koncept 3 ... 63

Tabell 9-11. Spänningar som uppstår i förbandet enligt koncept 4 ... 64

Tabell 9-12. Skjuvspänningar i gängor ... 64

Tabell 9-13. Spänningar som uppstår i förbandet enligt koncept 5 ... 64

Tabell 9-14. Skjuvspänningar som uppstår i förbandet vid koncept 5 ... 64

Tabell 9-15. Bedömningsskala som används till utvärderingskriteriern... 65

Tabell 9-16. Sammanfattning av värden som används för utvärderingen... 65

Tabell 9-17. Konceptutvärdering enligt kriterieviktsmetoden ... 66

Tabell 9-18. Morfologisk matris ... 67

Tabell 9-19. Viktning av utvärderingskriterier... 70

Tabell 9-20. Bedömningsskala som används till utvärderingskriterierna... 70

Tabell 9-21. Konceptutvärdering enligt kriterieviktsmetoden ... 71

Tabell 9-22. Dragspänningar i cylinderrör... 72

Tabell 9-23. Spänningar i förbandet vid kolvstångsörat ... 76

Tabell 9-24. Skjuvspänningar som uppstår i förbandet... 76

Tabell 9-25. Spänningar i förband vid kolvstångsörat ... 77

Figurförteckning

Figur 1-1. Reviderad utvecklingsmodell från Ulrich & Eppinger... 10

Figur 2-1. Modell från Ulrich & Eppinger... 14

Figur 2-2. Metod för konceptgenerering. ... 16

Figur 2-3. Ullrich & Eppinger... 19

Figur 3-1. Principskiss hur en dubbelverkande hydraulcylinder kan se ut. ... 22

Figur 3-2. Sammanställningsritning av CDL1 ... 24

Figur 6-1. Cylinderröret frilagt som ett rotationssymmetriskt skal... 38

Figur 6-2. Figuren visar vilken spänning som uppstår i bakgaveln vid olika rörtjocklekar vid arbetstryck. ... 39

Figur 6-3. Figuren visar vilken spänning som uppstår i bakgaveln vid olika rörtjocklekar vid statiskt tryck. ... 40

Figur 7-1. Svetsens zoner... 42

Figur 7-2. Anslutningskuts och cylinderrör…... 43

Figur 7-3. Bakgavel och cylinderrör. ... 44

Figur 7-4. Olika svetsfall. ... 44

Figur 7-5 Utseendetpå simuleringen. ... 46

Figur 7-6. Spänningsfördelning vid svetsens rot. ... 476

Figur 7-7. Spänning vid svetsfog enligt FEM-analys. ... 47

Figur 7-8. Spänningstillstånd kring anslutningskuts. ... 49

Figur 8-1. Spänning i fästets gods 90 grader från cylinderns centrumaxel. ... 53

Figur 8-2. Spänning kring hålet för smörjnippeln... 54

Figur 8-3. Diagram från företaget över vilket spänningskoncentrationsfaktor som erhålls vid kolvstångsörat... 55

Figur 9-1. Kolvstångstapp med utmarkerade kälradier ... 60

Figur 9-2. Figuren visar var skjuv och dragspänning uppkommer ... 60

Figur 9-3. Spänningar i framgavelsgängan…... 72

Figur 9-4. Spänningar i cylinderrörsgängan... 72

Figur 9-5. Beskrivande figur var spänningar i kolvstångsörat uppstår. . ... 75

Figur 9-6. Beskrivande figur var spänningar i kolvstången uppstår... 75

Figur 10-1. Prototyp 1. ... 80

Figur 10-2. Prototyp 1 redo att pulstestas... 82

Figur 10-3. Prototyp 2. ... 83

ps Statiskt tryck [MPa] q Vätskeinflöde [dm3/s] r Radie på cylinder [mm] ReL Materialsträckgräns [MPa] Rm Materialbrottgräns [MPa] Ry Ytterdiameter på kolvstångsöra [mm] s Säkerhetsfaktor [mm] t Godstjocklek Cylinderrör [mm]

tkorr Korrigerad höjd på gänga [mm]

tring Godstjocklek på ringmutter [mm]

w(x) Utböjning i skalet som funktion av x [mm]

wpart Partikulärlösning till w(x) [mm]

Ws, rör Skruvkärna med genomgående håls skjuvmotstånd [mm3]

Ws, solid Solid skruvkärnas skjuvmotstånd [mm3]

x Axiell koordinat [mm]

z Radiellt utåtriktad koordinat från skalets medelyta [mm]

α Flankvinkel [grader] β Profilvinkel [rad] χ Höjdsegment av gänga [mm] δ Förlängning/förkortning av längd [mm] δg Förlängning/förkortning av gods [mm] δs Förlängning/förkortning av skruv [mm]

φ Halva konvinkeln [grader]

γ Korrektionsvärde utläst ur tabell [-]

φ Stigningsvinkel på gänga [rad]

κ Geometrisk cylinderparameter m-1

λ Parameter för beräkning av formfaktor [-]

µa Friktionskoefficient i anliggningsplanets kontaktytor (gängberäkning) [-]

µg Friktionskoefficient i gängors kontaktyta [-]

ρ Kälradie [mm]

ρ’ Friktionsvinkel erhållen ur gänggeometri [rad]

σansl Spänning pga. anslutningen [MPa]

σb Böjspänning [MPa]

σd Dragspänning [MPa]

σFF Spänning pga. Förspänningskraften [MPa]

σjmf Jämförelsespänning enligt Von Mises [MPa]

σmax Maximal spänning [MPa]

σnom Nominell spänning [MPa]

σr Spänning radiellt utåt från cylinderröret [MPa]

σskruv Maximal spänning i skruv [MPa]

σskruv, amp Amplitudspänning i skruv [MPa]

σsv, max Maximal spänning i svets [MPa]

σsv, nom Nominell spänning i svets [MPa]

σtot Total spänning [MPa]

σu Utmattningsspänning [MPa]

σx Spänning x-riktning [MPa]

σφ Spänning φ-riktning [MPa]

τgods Skjuvspänning i gänga på gods [MPa]

τskruv Skjuvspänning i gänga på skruv [MPa]

τstr Skjuvsträckgräns [MPa]

τv Vridpåkänning i gängbotten [MPa]

τxφ Skjuvning xφ-planet [MPa]

υ Poissons tal [-]

ξ Böjstyvhet för skal [Nm]

ps Statiskt tryck [MPa] q Vätskeinflöde [dm3_/s] r Radie på cylinder [mm] ReL Materialsträckgräns [MPa] Rm Materialbrottgräns [MPa] Ry Ytterdiameter på kolvstångsöra [mm] s Säkerhetsfaktor [mm] t Godstjocklek Cylinderrör [mm]

tkorr Korrigerad höjd på gänga [mm]

tring Godstjocklek på ringmutter [mm]

w(x) Utböjning i skalet som funktion av x [mm]

wpart Partikulärlösning till w(x) [mm]

Ws, rör Skruvkärna med genomgående håls skjuvmotstånd [mm3]

Ws, solid Solid skruvkärnas skjuvmotstånd [mm3]

x Axiell koordinat [mm]

z Radiellt utåtriktad koordinat från skalets medelyta [mm]

α Flankvinkel [grader] β Profilvinkel [rad] χ Höjdsegment av gänga [mm] δ Förlängning/förkortning av längd [mm] δg Förlängning/förkortning av gods [mm] δs Förlängning/förkortning av skruv [mm]

φ Halva konvinkeln [grader]

γ Korrektionsvärde utläst ur tabell [-]

φ Stigningsvinkel på gänga [rad]

κ Geometrisk cylinderparameter m-1

λ Parameter för beräkning av formfaktor

μa Friktionskoefficient i anliggningsplanets kontaktytor (gängberäkning) [-]

μg Friktionskoefficient i gängors kontaktyta [-]

ρ Kälradie [mm]

ρ’ Friktionsvinkel erhållen ur gänggeometri [rad]

σansl Spänning pga. anslutningen [MPa]

σb Böjspänning [MPa]

σd Dragspänning [MPa]

σFF Spänning pga. Förspänningskraften [N]

σjmf Jämförelsespänning enligt Von Mises [MPa]

σmax Maximal spanning [MPa]

σnom Nominell spanning [MPa]

σr Spänning radiellt utåt från cylinderröret [MPa]

σskruv Maximal spänning i skruv [MPa]

σskruv, amp Amplitudspänning i skruv [MPa]

σsv, max Maximal spänning i svets [MPa]

σsv, nom Nominell spänning i svets [MPa]

σtot Total spanning [MPa]

σu Utmattningsspänning [MPa]

σx Spänning x-riktning [MPa]

σφ Spänning φ-riktning [MPa]

τgods Skjuvspänning i gänga på gods [MPa]

τskruv Skjuvspänning i gänga på skruv [MPa]

τstr Skjuvsträckgräns [MPa]

τv Vridpåkänning i gängbotten [MPa]

τxφ Skjuvning xφ-planet [MPa]

υ Poissons tal [-]

ξ Böjstyvhet för skal [Nm]

Kapitel 1

Inledning

Detta kapitel innehåller presentation av företaget, bakgrund och syfte med examensarbetet. Kapitlet innehåller även de avgränsningar som gjorts samt vilken modell som har använts i utvecklingens genomförande.

1.1 Företagspresentation

Bosch Rexroth Teknik är ett multinationellt företag som är verksamma inom områdena hydraulik och pneumatik. Bosch Rexroth har sitt huvudkontor i Lohr, Tyskland och är en del av stiftelsen Bosch Group. Företaget har i Sverige cirka 650 anställda varav ungefär 200 är i Älvsjö och av dem cirka 70 på avdelningen för hydraulik. Bosch Rexroth är på hydrauliksidan en komplett leverantör av hydraulsystem men i Älvsjö är det endast hydraulcylindern som tillverkas. Företaget är en av världens största tillverkare av hydraulsystem där den klart största marknadsandelen återfinns i Europa.

1.2 Bakgrund

Hydraulcylinderverksamheten inom Bosch Rexroth har definierat segmentet ”lågpriscylinder för tryckklassen 25 MPa” som ett område med potentiell tillväxt. Företaget saknar idag en produkt inom detta område och ser det som nästa potentiella utvecklingsprojekt.

1.3 Syfte

Syftet med examensarbetet är att göra en förstudie inom konstruktionsprincipen för det nya marknadssegmentet. Hydraulcylinderavdelningen vid Bosch Rexroth i Stockholm vill skapa sig ett så bra utgångsläge som möjligt att erhålla utvecklingsprojektet och därigenom få möjlighet att tillverka den slutgiltiga produkten. För att få ett gynnsamt utgångsläge ska ett examensarbete utföras som förberedning inför ett eventuellt projekt.

1.4 Problembeskrivning

En undersökning ska göras över hur en hydraulcylinder med svetsad bakgavel för tryckklassen 25 MPa kan förefalla. Cylindern ska vara en vidareutveckling av den liknande lågpriscylindern CDL11 (Cylinder Differential Light), som är inom tryckklassen 16 MPa. Studien bör grundligt täcka ingående komponenter (material, geometri, etc.) samt tillverkningsmetoder som verifiering och beräkning. Primära krav för produkten är framtagna av Bosch Rexroth men det finns även sekundära önskemål för att produkten ska kunna lyckas på marknaden. En djupare problemformulering återfinns i kapitel 5. En grundlig förstudie/utredning på temat ”Konstruktionsprinciper för svetsad 25 MPa Hydraulisk Cylinder” ska således utföras.

Kapitel 1: Inledning

9

1.5 Mission Statement

Produktbeskrivning En svetsad lågpriscylinder som klarar arbetstrycket 25

MPa. Övriga tekniska egenskaper är som föregångaren CDL1.

Företagsmål Hitta ett ekonomiskt och tekniskt tillvägagångssätt att

konstruera samt producera cylindern på Bosch Rexroth i Älvsjö.

Mål med examensarbete Att skapa ett bra utgångsläge för att få utveckla samt även

producera den nya cylindern i Älvsjö.

Marknad Gamla kunder som är i behov av en starkare cylinder.

Nya kunder som ser ytterligare ett alternativ att välja mellan på marknaden.

Antaganden och Tätningar behandlas ej.

avgränsningar Dämpning behandlas ej.

Mått som berör interface mot användare ändras ej. Rådande tekniska data bibehålles.

Intressenter Konstruktionsavdelningen för hydraulcylindrar vid Bosch

Rexroth Teknik AB, Älvsjö.

Produktionsavdelningen för hydraulcylindrar vid Bosch Rexroth Teknik AB, Älvsjö

Linköping Universitet

Kunder till Bosch Rexroth Teknik AB

1.6 Avgränsningar och precisering av cylindermodell

Studien görs i avsikt att möjliggöra en ökning av tryck för konstruktionsprincipen på CDL1 med kolvstorlek 50 mm, kolvstångsdiameter 28 mm samt med fästestypen MP5. Kolvstorleken är vald eftersom den är en vanlig storlek i mitten av storleksutbudet och fästestypen MP5 för att den är den vanligaste varianten. Resultaten bör i ett senare skede kunna användas även för övriga storlekar och fästen, med några individuella modifikationer. Tätningarna behandlas ej ty dessa beräknas klara tryckökningen. Brister tätningarna beställs annan variant från leverantör. Grundläggande är att kunden inte ska behöva ändra något för sin produkttillämpning. Kundens interface är därför av standardvariant och får inte ändras. De befintliga tekniska data som gäller för nuvarande CDL1 skall också avse CDL2 (arbetsnamn på den nya cylindern). Slutligen behandlas inte givare som indikerar vilken position kolven har (exempelvis lägesgivare) då det ej är standardutförande.

Ett generellt antagande som gjorts är att friktionskrafter som uppstår mellan kolv och cylinderrör, framgavel och kolvstång ej behandlas. De kommer dock att bidra till en minskning av den maximalt genererade kraften vilket gynnar verkliga fallet.

1.7 Utförande och disposition

För att kunna arbeta strukturerat är det viktigt att ha en klarlagd metodik att jobba efter i utvecklingen. Utvecklingsmodellen som har använts i examensarbetet kan ses i figur 1.1.

Rapportstruktur

Förstudie • Problemgranskning _{• Framtagning av koncept} • Konstruktion av prototyp • Verifiering • Slutsatser • Diskussion Utvecklingsmetodik M iss ion st at em en t Etablering av målspecifikation Generering av koncept Val av koncept Utvärdering av koncept Fastställning av slutgiltig specifikation Res ul tat av f ör st udi e Projektering Ekonomiska analyser

Principjämförelse mot konkurrerande produkter Konstruktion av testmodeller och prototyper

Figur 1-1. Reviderad utvecklingsmodell från Ulrich & Eppinger2_.

1.7.1 Förstudie

I förstudien genomförs en konkurrentanalys. Genom att söka information på internet listas vilka slags produkter konkurrenterna erbjuder. Information har även delgivits genom anställda på företagets utvecklingsavdelning, broschyrer från konkurrenter och böcker.

1.7.2 Problemgranskning och konceptgenerering

Genom att granska produkten uppdagas att vissa områden är kritiska vid en ökning av trycket. Dessa områden behandlas var för sig, kapitelvis, i rapporten. Dagens cylinder, CDL1, har ett maximalt tillåtet tryck för vilket hållfastheten beräknas. Värdena som erhålls ur beräkningarna används som målvärden för hållfastheten. De koncept som genereras jämförs således med de beräknade målvärdena. I de fall det finns en hög säkerhetsmarginal mellan målvärdet och materialets prestanda, jämförs värdena istället mot materialets data. Processen med konceptgenereringen och beräkningarna är huvuddelen i examensarbetet.

1.7.3 Konstruktion av prototyp samt verifiering

I denna fas konstrueras prototyper som bygger på de tidigare framtagna koncepten. Förhoppningen med prototyperna är att de antagna beräkningsmodellerna ska verifieras. Verifieringen görs i företagets utvecklingslaboratorium med hjälp av en pulsanordning. Prototypen trycksätts där under ett visst antal cykler.

2 _{Se kapitel 2.1.}

Kapitel 1: Inledning

11

1.7.4 Slutsats och diskussion

I denna del av arbetet utvärderas uppgiften mot de resultat som erhållits och slutsatser kan konstateras. Vidare förs en diskussion om huruvida modifikationer kan utföras med för- och nackdelar vid de tidigare konstaterade kritiska områdena. Slutligen presenteras rekommendationer till företaget.

Kapitel 2

Teori och metod för produktutveckling

Detta kapitel behandlar de teorier, metoder och hjälpredskap som används för att utveckla produkten i examensarbetet. Metoderna beskrivs i kapitlet helt generellt och fristående från examensarbetet men förklaras tydligare då de används senare i andra kapitel. Detta då teorierna ibland måste modifieras för att få hjälpverktygen att bättre passa till tillämpningsområdet. Metoderna sträcker sig från att en uppdragsbeskrivning kommit tillhanda, tills att slutligt val av produkt presenteras.

2.1 Val av modell för produktutveckling

Då en utvecklingsprocess sätter igång är det oftast ett bra hjälpredskap att kunna arbeta efter en produktutvecklingsmodell. Modellen bör helst vara en förenkling av verkligheten. Det finns dock ett stort utbud av modeller och valet är därför inte särkilt lätt [1].

Figur 2-1. Modell från Ulrich & Eppinger.

Produktutvecklingsmodellen från Ulrich & Eppinger [2] i figur 2-1 är flexibel och modifierbar. Modellen är tänkt som instrument till utvecklaren, så att denne kan hålla isär arbetet i avgränsande faser (etablering av koncept, generering av målspecifikation osv.). Sekventiella modeller, som denna, är syftad att stödja utvecklingen av relativt enkla produkter, där ett mindre antal konstruktörer står för utvecklingen. Sekventiella modeller är oftast bra undervisningsmodeller men har som nackdel att de kan vara alltför enkla [1].

Figuren 2-1 utläses så att utvecklaren tillhandahåller ett ”Mission Statement” och arbetar sig sedan från vänster till höger och kan förhoppningsvis till slut trappa upp med en utvecklingsplan. Om något har gått fel eller att ett koncept helt enkelt inte fungerat som det från början var tänkt, kan vara tvunget att gå tillbaka till föregående steg i processen för att se över konstruktionen och tänka om. Att det är möjligt indikeras av pilarna med streckad linje som tillhör varje box. De tre gråmarkerade områdena är under hela utvecklingsprocessen kritiska och måste följas upp.

2.2 Mission Statement

En Mission Statement upprättas i inledande fasen för att lättare kunna åskådliggöra målet med projektet. Den ger också bättre riktlinjer mot vilken slutmarknad produkten ska riktas mot. Bakom upprättandet av Mission Statement finns en förfrågan, från till exempel kund, om en ny produkt alternativt kan det vara ett behov av ökad prestanda på en befintlig produkt. Genom kundens önskan om produkten sätts målet för utvecklarna, som därigenom får ett antal problem att lösa. Det som Mission Statement behandlar är

[1] Systematisk konceptutveckling, 1999, s. 1, 2 [2] Product design and development, 2003, s. 16

Kapitel 2: Teori och metod för produktutveckling

15

först och främst vad som är målet med projektet men också en produktbeskrivning samt vilka intressenter och vilken marknad produkten kommer att ha [3].

2.3 Etablering av målspecifikation

För att inte målet med produkten ska påverkas av resultatet i arbetet, bör målet definieras tidigt i arbetet. Då det finns ett uppsatt mål finns även en tydlig riktning om vad som vill åstadkommas med arbetet. Dessutom är det enklare att i ett senare skede utvärdera resultatet [4]. Det slutgiltiga målet är en önskning från kund samtidigt som produkten ska vara ekonomiskt hållbar för företaget. Detta innebär att det finns flera intressenter i målspecifikationen.

2.3.1 State-of-the-art

Med state-of-the-art menas att undersökning görs om liknande problem lösts tidigare [5]. Det är mycket viktigt att undersöka om konkurrenterna har någon liknande produkt och hur de i sådant fall löst problemen. Även att studera är litteratur inom området, patentdatabaser, produkter som löser liknande uppgifter inom andra områden o.s.v.

2.3.2 Konstruktionskriterielista

Konstruktionskriterielistan infriar främst två funktioner: Den ger riktlinjer om vad som eftersträvas för produkten under utvecklingsprocessen samt nödvändig information för utvärdering av olika lösningar. Genom att sammanställa specifikationer om vad som är krav och önskemål med produkten i en strukturerad lista, kan dessutom målet mycket överskådligare utläsas och efterföljas. Det är av dessa anledningar som en konstruktionskriterielista görs. Listan kommer hela tiden att uppdateras och revideras då nya förutsättningar och ny kunskap framträder.

Produktutvecklingen kan av olika anledningar ske över en längre tid (exempelvis att utvecklingen ses som en förstudie till en senarelagd djupare utveckling). Målen i konstruktionskriterielistan bör då granskas i efterhand eftersom de kan komma att ändra sig över sikt [5].

2.4 Projektering

Då en specifikation samt ett slutgiltigt mål finns för den sökta produkten är det lämpligt att upprätta en arbetsplan att jobba efter. Tiden måste under hela arbetets gång utvärderas för att kunna säkerställa att tidsrymden håller. Att planera arbetet grundligt är därför mycket viktigt.

2.4.1 Design Structure Matrix

Ett verktyg för planläggning av projekt är Design Structure Matrix. En DSM-matris upprättas så att de olika stegen i utvecklingsprocessen sätts i ordning mot varandra. Arbetsgången följer sedan i en strukturerad ordning. Med matrisen kan en arbetsplan enklare följas. I matrisen kan även utläsas vilka processer som kan ske parallellt, sekventiellt samt vilka steg som är kopplade och därmed beroende av varandra.

[3] Product design and development, 2003, s. 47 [4] Produktutvärdering, 2002, s. 7

Matrisen behöver inte utgöras av processteg utan kan även vara team-, komponent eller parameterbaserad [6].

2.5 Generering av koncept

Konceptgenerering kan göras på många vis, det gäller dock att börja i rätt ände så att ingenting förringas. I figur 2-2 visas en av Ulrich & Eppinger föreslagen ordning att utgå genereringen av konceptlösningar från.

Figur 2-2. Metod för konceptgenerering [7].

2.5.1 Kritisk granskning av problemet

Problemet ska granskas ur alla synvinklar. Det är viktigt att inse uppgiftens omständigheter, vad konsekvenserna blir då dimensionerande parametrar ändras etc. Grundläggande förståelse framkommer då följande fem frågor besvaras [8]: Vad är

[6] Design Methodology and Analysis, s. 39 [7] Product design and development, 2003, s. 100 [8] Systematisk konceptutveckling, 1999, s. 7, 8 Sök externt • Användare • Experter • Patent • Litteratur • Benchmarking Sök internt • Individer • Grupper

Reflektera över lösningar samt process • Konstruktiv kritik Förklara problemet • Förståelse av problem • Fokusera på kritiska underproblem Exploatera systematiskt • Klassifikationsträd • Kombinationstabell Underproblem

Kapitel 2: Teori och metod för produktutveckling

17

problemet? Vem har problemet? Vad är målet? Vilka bieffekter ska undvikas? Vilka begränsningar finns för att lösa problemet?

2.5.2 Brainstorming

Tanken med brainstorming är inte att generera helt nya lösningar till ett problem, utan att kombinera befintligt material i nya kombinationer [9]. Förhoppningen är att generera så många lösningar som möjligt, de behöver inte alltid vara de bästa.

2.5.3 Morfologisk analys

I en morfologisk analys delas problemet upp i alla dess dimensioner eller i delfunktioner. Underproblemen analyseras sedan var för sig och så många lösningar som möjligt på varje underfunktion eftersträvas. Det svåra med metoden är själva uppdelningen i underproblem då detta inte alltid är självklart [9].

2.5.4 Morfologisk matris

För att lösa ett problem är det lämpligt att bryta ner huvudproblemet i mindre delar så att ett tekniskt system erhålls. Det tekniska systemet består således av flera små underproblem som ska lösas. I en morfologisk matris delas underproblemen (även huvudproblemet kan listas) upp i olika delfunktioner i avsikt att finna medel att realisera funktionerna med [10]. Medlen tas fram genom idégenerering. Ett exempel på en morfologisk matris, från Liedholm [10], visas i tabell 2-1 nedan. Exemplet är till för accelerationen hos ett eldrivet fordon.

Funktion Medel Ladda energi Solceller på fordonet Extern elektrisk laddanordning Byte av lagringsenhet Påfyllnad av förbrukat kemisk material m.fl. Lagra energi Standard

bilbatterier NiMH batterier

El direktgenererad genom kemisk process Behövs ej m.fl. Omvandla energi Asynkronmotor (+ ev. AC/DC omvandlare) Synkronmotor (+ ev. AC/DC omvandlare) Likströmsmotor m.fl.

Tabell 2-1. Morfologisk matris.

Fördelen med en morfologisk matris är att problemet blir lättöverskådligt. Tabellen ska utläsas så att till en funktion finns ett antal medel att välja mellan. Om ett medel väljs för varje funktion kan ett lösningskoncept skapas. Tabellen ovan är inte av någon större storlek men genererar ändå 48 olika koncept (4*4*3).

2.6 Beslutsprocessen

Beslutsprocessen kan delas upp i två skilda delar, utvärdering och val. Vid utvärdering bestäms konceptets värde utifrån vissa specifika mål. Att välja bland ett antal givna

[9] KT-PU. Idégenerering – Kreativitet, s. 1, 2, 4, 5 [10] Systematisk konceptutveckling, 1999, s. 18, 20

alternativ är att göra ett val. Gränserna mellan dessa delar suddas ofta ut vilket kan göra att besluten blir otydliga [11]. För att inte blanda ihop dessa bör de därför behandlas separat.

2.6.1 Utvärdering av koncept

Efter att koncept genererats måste dessa utvärderas. Utvärderingen ger information om vilka koncept som har potential att klara marknaden och därför bör vidareutvecklas. Genom granskningen kan de olika koncepten rangordnas så att tillslut ”det bästa” konceptet väljs att vidareutvecklas [12]. Till utvärderingen finns det olika hjälpmedel som kan användas. Några av dessa hjälpmedel presenteras nedan.

Fördelar/Nackdelar-lista

Genom att lista för- och nackdelar för koncept kan enkelt antalet koncept minskas [13]. Används med fördel som ett första steg i beslutsprocessen. Metoden är dock inte objektiv och kan ge olika svar beroende på vem beslutsfattaren är. Beslutsfattaren måste också ha en genomgripande kunskap om tekniken i lösningarna för att fel slutsatser ej skall dras.

Testa, bygga prototyper, simulera

När arbetet fortskridigt och antalet lösningar har reducerats till en hanterbar mängd passar dessa metoder bra att använda. Metoderna värderar egentligen inte koncepten utan ger information om lösningarna som kan användas vid en värdering. Dessa metoder kan med fördel kompletteras med andra metoder. [13]

Parvis jämförelse

Två koncept jämförs mot varandra med avseende på olika bedömningskriterier. Sedan kontrolleras hur många gånger det ena respektive det andra konceptet har varit bäst. Ur detta kan utläsas vilket av de två koncepten som är att föredra. Finns många koncept som ska jämföras kan denna metod bli inkonsekvent en annan nackdel är att det krävs många jämförelser om det är många koncept. [13]

Kriterieviktmetoden

I denna metod bedöms lösningarna oberoende av de andra lösningarna. Enligt Derelöv krävs att både kriterierna och lösningarna är väl definierade för att detta ska vara möjligt. Kriterieviktsmetoden medger att lösningar kan läggas till eller ändras och resultatet är ändå giltigt, förutsatt att kriterierna är desamma. [13]

2.6.2 Val av koncept

Processen för produktutveckling beskrivs av Nigel Cross [12] som två faser; en divergent fas där problemet granskas och koncept genereras samt en andra fas som är konvergent, där lösningar väljs ut för att vidareutvecklas, se figur 2-3. Tillslut är dock hela processen konvergent.

[11] Produktutvärdering, 2002, s. 5

[12] Engineering design methods, 2006, s. 187 [13] Produktutvärdering, 2002, s. 13

Kapitel 2: Teori och metod för produktutveckling

19 Figur 2-3. Ullrich & Eppinger [14].

Val av koncept är ett beslut av vilket eller vilka koncept som bör vidareutvecklas. Valet bygger till stor del på den tidigare gjorda utvärderingen, men beslutsfattarnas egna värderingar kommer även med. Enligt Derelöv 2002 [15] finns därmed inte ett bästa beslut utan beslutet är bra eller dåligt relativt en viss beslutsfattares mål, preferenser, osv.

2.7 Projektplanering

När ett koncept är valt och verifierat av beräkningar samt prototyper är det lägligt att i detalj göra upp hur utvecklingstiden kan minimeras, fastlägga vilka resurser som kommer att erfordras, en ekonomisk planläggning etc. Hjälpmedel för att åstadkomma ett detaljschema är till exempel att sammanfatta de viktigaste resultaten och slutsatserna under varje huvuddel i utvecklingen [14].

[14] Product design and development, 2003, s. 16, 128 [15] Produktutvärdering, 2002, s. 6

Konceptgenerering

Divergens Konvergens

Kapitel 3

Hydraulcylindern

Kapitlet innehåller en generell beskrivning av de vanligaste cylindertyperna på marknaden idag; deras konstruktion och användningsområden. Här presenteras även den nuvarande CDL1 cylindern. Förklaring ges hur cylindern är uppbyggd, vilka komponenter som ingår samt vilka material alla ingående komponenter är tillverkade av.

3.1 Funktion

Hydraulcylindern är ett maskinelement som omvandlar hydraulisk energi till mekanisk energi [16]. Cylindern åstadkommer en linjär rörelse och kan skapa en stor kraft eller en noggrant reglerad rörelse [17]. Nedan i figur 3-1 ses en förenklad bild av en dubbelverkande hydraulcylinder.

Figur 3-1. Principskiss hur en dubbelverkande hydraulcylinder kan se ut [17].

3.1.1 Cylindertyper

Cylindrar kan arbeta enkelverkande eller dubbelverkande [17]. I den enkelverkande cylindern förflyttas kolven av vätskan endast i den ena riktningen, oftast på plussidan. För att få cylindern att gå i returriktningen kan tyngdkraften eller en fjäderkraft användas. I den dubbelverkande cylindern flyttas kolven med hjälp av en fluid i båda riktningarna och har därför en anslutning i vardera kammare, se figur 3-1. Cylinderns kraft och hastighet kan då styras i båda rörelseriktningarna. Den dubbelverkande hydraulcylindern har olika kolvareor på plus och minussidan, detta beror på att kolvstången sitter på kolvens minussida. Den mindre arean leder till att kraften vid returslaget blir lägre än kraften vid plusslag.

3.1.2 Cylinderkonstruktion

Cylindrars konstruktioner karaktäriseras ofta genom den metod som används för att fästa gavlarna [17]. Metoderna som vanligen används är svetsförband, dragstänger mellan gavlarna eller att gavlarna är gängade på eller i röret. En annan metod är att en ringmutter gängas på cylinderröret och sedan fästes gaveln med skruvförband till ringmuttern. Varje konstruktionsprincip är optimerad inom sitt eget arbetsområde, men principerna överlappar också varandra vilket gör att många cylinderkonstruktioner kan användas inom olika områden. För cylindrar inom den mobila sektorn optimeras ofta dessa med hänsyn till den specifika tillämpningen. Cylinderkonstruktionen är vanligen enkel och tillverkas i stora serier vilket leder till att tillverkningskostnaden kan hållas låg. Cylindrar som används inom industriella applikationer finns ofta i många varianter. Varianterna kan vara olika slaglängd, dämpning, fästen och anslutningsportar. Dessa cylindrar levereras ibland som enstaka cylindrar och ibland i stora serier med kort leveranstid.

[16] Kompendium i hydraulik, 1993, s. 4-1 [17] Hydraulcylinder handbok, 1986, s. 5, 6, 9

Kapitel 3: Hydraulcylindern

23

En enkel cylinder är ofta svetsad, där svetsförbandet vanligtvis är mellan bakgavel och cylinderrör. Anslutningskutsarna är även dessa svetsade till cylinderröret. Framgaveln svetsas ej till cylinderröret, då underhåll ej kan utföras vid en helsvetsad cylinder. Istället fästes framgaveln med ett gängförband för att kunna byta de tätningar som finns i cylindern. De komponenter som har kommenterats i detta avsnitt hittas i figur 3-2 på nästa sida. En svetsad cylinder används med fördel i mobila och lätta industriella applikationer.

Fäste av gavlarna med dragstänger används ofta för cylindrar som nyttjas inom industrin. Gavlarna är ofta fyrkantiga eftersom att fyra dragstänger brukar användas, vilket medför att denna cylindertyp kallas fyrkantiga cylindrar. Det krävs inte så mycket slutbearbetning på cylinderrör, kolvstång och dragstänger för dessa cylindrar. Dragstångscylindrar kan därför levereras med kort leveranstid i små antal och olika slaglängd.

Konstruktionsprincipen med att gänga en ringmutter på cylinderröret och sedan fästa gaveln med skruvförband lämpar sig bäst för tung drift. Cylindrarna måste då ha tjocka väggar för att gängan ska få plats, därför klarar cylindern stora axiella krafter. En annan princip som används är att montera gavlarna med skruvförband direkt in i cylinderröret, principen används för cylindrar med stor rördiameter.

3.2 Analys av CDL1

Cylindern som analyseras i examensarbetet är en svetsad cylinder som betecknas CDL1. Beteckningen CDL1 står för Cylinder Differential Light 1. Det innebär att cylindern är av differential typ, dvs. att kolven har olika areor i plus och minuskammare samt att det är en lätt cylinder av serie 1. Dagens CDL1 är i huvudsak till för industriella applikationer av lättare slag, men används även inom det mobila och marina området där en kompakt inbyggnad önskas. Cylindern är svetsad i bakgaveln och gängad i framgaveln. Den ska klara 200 000 cykler på 24 MPa och maximalt arbetstryck är 16 MPa (oändligt antal cykler). Kolvdiametern som finns att tillgå ligger mellan 25–200 mm där cylindern med kolvdiameter 25 och 32 mm även gängas i bakgaveln. Flera olika medium (mineralolja, fosfatester, vattenglykol) kan användas i cylindern. Fem olika sorters infästningar kan beställas med cylindern, interfacet på fästet är standardiserat. Slaglängden kan beställas i antingen standardlängder eller specialupplaga upp till tre meter. Ändlägesdämpning används inte i konstruktionen. Analysen är gjord på en cylinder med kolvdiameter 50 mm, kolvstångsdiameter 28 mm, kolvstångsöra samt med fästestypen MP5.

3.2.1 Ingående komponenter

Hydraulcylindern består av cylinderrör, framgavel, bakgavel, kolv, kolvstång, anslutningskutsar, tätningar, avskrapare och styrningsband enligt figur 3-2. Det finns även fem olika slags infästningar och tillbehör till dessa.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 Figur 3-2. Sammanställningsritning av CDL1

1. Kolvstångsöra 8. Styrningsband

2. Avstrykare 9. Bakgavel (fäste MP5)

3. Kolvstångstätning 10. Styrring

4. Framgavel 11. O-ring

5. Anslutningskuts 12. Kolvstång

6. Cylinderrör 13. Kolv

7. Kolvtätning

En närmare beskrivning på de ingående komponenterna följer nedan. Mer djupgående ritningar på hur detaljerna är konstruerade hittas i appendix I. I appendix K finns data för de material som används i cylindern.

Cylinderrör

Stålet som valts har en brottgräns mellan 470-620 MPa vilket med god marginal är ett tillräckligt krav på hållfasthet vid arbetstryck 16 MPa samt statiskta trycket på 24 MPa. Röret är tillverkat genom kalldragning och bearbetas på innerytan för att till sist rullpoleras eller henas till en ytjämnhet på 0,4 µm. Den fina innerytan krävs för att kolvtätningen skall täta tillräckligt och ej heller förslitas snabbt. Röret i CDL1 måste även ha ett krav på god svetsbarhet då bakgaveln och anslutningarna svetsas fast.

Framgavel

Gaveln är gjuten i gråjärn och förädlas i fabriken. Gråjärn används med fördel då det är lättbearbetat, billigt och har god dämpningsförmåga. Gråjärn har också bra glidegenskaper vilket minskar friktionen mellan framgavel och kolvstång vid uppkomna tvärkrafter på cylindern.

Bakgavel

Gaveln är en gjuten detalj som bearbetas i fabriken. Bakgaveln utformas på olika vis beroende på vilken storlek som efterfrågas (även efter vilken fästestyp som eftersöks). Vanligtvis svetsas gaveln fast men i de minsta varianterna används en vanlig gänga. Varianten som undersöks svetsas fast vilket sätter krav på att materialet ska ha en god

Kapitel 3: Hydraulcylindern

25

svetsbarhet. Eftersom stora påfrestningar verkar på gaveln används seghärdningsstål, som har goda hållfasthetsegenskaper.

Kolv

Kolven tillverkas i stål och bearbetas i fabriken. Den är monterad i kolvstången med hjälp av gängförband som låses och tätas med Loctite.

Kolvstång

Komponenten tillverkas i seghärdningsstål. Den är utsatt för höga belastningar och därför tas särskild hänsyn vid dimensioneringen, för att säkert undgå knäckning. På grund av de höga påfrestningarna är kolvstången hårdförkromad och polerad. Kromtjockleken är mellan 20-25 µm och ytfinheten 0,4 µm. Kolvstången utsetts även för dynamiska påfrestningar, det är därför viktigt att utmattningshållfastheten kontrolleras. Kromet ger också ett ökat korrosionsskydd.

Anslutningskutsar

Anslutningskutsarna är av stål och har standardiserade gängor för slanginfästning. Anslutningarna svetsas fast i röret vilket sätter krav på att stålet måste ha god svetsbarhet. På cylindern som undersöks är en anslutningskuts svetsad i röret medan den andra är integrerad i bakgaveln.

O-ring

O-ringen har till uppgift att täta mellan framgavel och cylinderrör. Den hålls på plats med hjälp av en stödring som även den är tillverkad i en polymer.

Avstrykare

Plastdetaljen är infälld i framgavelns insida och ser till att det inte kommer in någon smuts i cylindern mellan framgavel och kolvstång.

Kolvstångstätning

Tätningen är placerad mellan framgavel och kolvstång och förhindrar att olja läcker ut ur cylindern.

Kolvtätning

Tätningen gör så att det inte läcker olja från plus- till minuskammare och tvärtom.

Styrningsband

Bandet används för att kolven skall styra koncentriskt i cylinderröret. Det tar även upp tvärkrafter genom att deformeras en aning. Deformeringen medför att kolv och cylinderrör inte nöter mot varandra.

Kapitel 4

Förstudie

Kapitlet redogör för en mer ingående grund av uppgiften, vilken prestanda etc. cylindern bör ha. För att underlätta problemformulering, konceptframtagning och senare konstruktionen, formuleras en konstruktionskriterielista. Genom att först göra en konkurrentanalys, kan en konstruktionskriterielista upprättas. Denna kommer dock revideras allteftersom arbetet fortlöper då förutsättningar hela tiden förändras. Konkurrentanalysen och den tidigare analysen av nuvarande CDL1 är nödvändig för att erhålla en känsla för de ingående parametrarna.

4.1 Bakgrund

Uppdraget med examensarbetet är att frambringa en vidareutveckling av CDL1. Den nya produkten hamnar under samma plattform som CDL1 men med målet att möta en större bredd av användare.

4.2 State of the art

Vad som vill erhållas med en konkurrentanalys är hur andra företags sortiment ser ut i dagsläget. Exempelvis om det finns liknande produkter på marknaden med avseende på arbetstryck och konstruktionsprincip. Analysen kan även ge tips för hur en framtida konstruktion kan se ut. Undersökningen säkerställer slutligen vilka prestanda konkurrenterna idag har att tillgå, så att produkten ej i slutändan blir av lägre klass.

4.2.1 Konkurrentanalys

För att undersöka hur marknaden ser ut görs en grundlig konkurrentanalys. Nedan presenteras sju olika konkurrenter och deras motsvarande cylindrar.

Parker Hannifin

Parker har en svetsad cylinder i tryckklassen 25 MPa (CLDE MWA). Den är konstruerad för medeltung och tung industri samt för mobila applikationer. Cylindern är för hela serien svetsad i bakgaveln och gängad i framgaveln. Cylindern som klarar 25 MPa finns från kolvdiameter/kolvstångsdiameter på 50/32 mm upp till 200/125 mm. Slaglängden är upp till 4000 mm, i övrigt har cylindern liknande data som CDL1. Kolvstången har samma material och hårdkromning som CDL1. Cylinderröret är kalldraget och polerat. Parker har valt en konstruktion där båda anslutningskutsarna svetsas till cylinderröret. Detta medför att in/utflödet i minuskammaren ser annorlunda ut än CDL1. Parker erbjuder sina cylindrar i specialutförande, exempelvis valfri slaglängd. Informationen är hämtad från Parkers hemsida [18].

Arcos

Arcos har en svetsad cylinder (S200) i tryckklassen 25 MPa med statiskt tryck på 35 MPa. Cylindern är svetsad i bakgaveln. Framgaveln har ett skruvförband vilket fästs i en låsring som är fastsvetsat till cylinderröret. Cylindern är konstruerad för att klara tung drift. Den har en slaglängd upp till 6000 mm och ett kolvdiametersspann på 40-250 mm. Specialanpassning av cylindern kan ske efter kundens behov. Informationen är hämtad från Arcos hemsida [19].

Glual

Glual har en svetsad cylinder (KZ) för 20 MPa arbetstryck och 30 MPa statiskt tryck. Bakgaveln är svetsad medan framgaveln är fäst med en gänga. Kolvdiametern kan väljas från 40-500 mm. Informationen kommer från Gluals hemsida [20].

[18] http://www.parker.com/euro_cylinder/v4/literature/pdf/mw_1216-uk.pdf [19] http://www.arcos.se/svensk/index.html

Kapitel 4: Förstudie

29

CA-verken

25 CA heter CA-verkens cylinder som motsvarar CDL1. Cylindern klarar 20 MPa i arbetstryck och finns i kolvdimensionerna 25-320 mm. Ytjämnheten på kolvstången och cylinderrörets insida är ≤ 0,4 µm, vilket är samma som på CDL1. Bakgaveln är svetsad och framgaveln gängad i cylinderröret vid kolvdiametrar under 110 mm. Över 110 mm är framgaveln fastskruvad i cylinderröret. Informationen kommer från CA-verkens hemsida [21].

HEB

HEB har en cylinder, NOZ 250, med 25 MPa i arbetstryck och 37,5 MPa statiskt tryck. Kolvdiametrar finns att tillgå från 50-160 mm. Gavlarna på denna cylinder är gängade både fram och bak (ej svetsad). Cylindern har en slaglängd upp till 2000 mm. Kolvstången är tillverkad i maskinstål och är hårdkromad med tjockleken 20 µm. HEB erbjuder cylindrar i specialutförande efter kundens behov. Informationen är hämtad från HEB’s hemsida [22].

Hydoring

HD2200 är Hydorings svetsade cylinder. Bakgaveln är svetsad fast och framgaveln gängad i cylinderöret. För cylindrar med en kolvdiameter mellan 25-125 mm är framgaveln gängad, cylindern klarar då 21 MPa i arbetstryck. Cylindrar med kolvdiameter mellan 160-250 mm har istället framgaveln fäst med ett skruvförband i en ringmutter vilket gör att cylindern klarar arbetstrycket 25 MPa. Ytjämnheten på cylinderrörets insida är 0,4 µm. Kolvstången är tillverkad i maskinstål och är hårdkromad med tjockleken 20 µm. Specialanpassade cylindrar konstrueras efter kunders önskemål. Informationen är hämtad från en broschyr från HEB [23].

Stacke Hydraulik

Stacke Hydraulik är nischade mot mobil hydraulik. Deras cylinder DA0101 har svetsad bakgavel och gängad framgavel. Den klarar 25 MPa i arbetstryck och kolvdiameter finns från 25-250 mm. Informationen kommer från Stacke Hydrauliks hemsida [24].

4.2.2 Slutsats State-of-the-art

Utredningen visar att cylindrar med samma konstruktionsprincip som CDL1 och med ett arbetstryck på 25 MPa redan idag finns på marknaden. Vidare konstateras att Bosch Rexroth’s konkurrenter har löst fogningen av den ickesvetsade gaveln på olika sätt. Fastsättning sker till exempel genom att skruva fast gaveln i en låsring. Låsringen är i sin tur antingen gängad eller fastsvetsad kring cylinderröret. För mindre cylindrar, där krafterna ej är så stora som på de större cylindrarna, sker fastsättning oftast genom att gaveln gängas i cylinderröret. Det kan även konstateras att bakgaveln kan svetsas fast på ett flertal olika sätt.

Alla företag ovan har liknande sortiment på fästen i sitt utbud. Detta eftersom kunden har standardinfästningar i sina system. Även kolv- och kolvstångsdiametern, ytjämnheten, materialen samt gängstorleken på anslutningskutsarna är liknande vilket tyder på att en dominerande konstruktionsprincip används.

[21] http://www.ca-verken.se/pdf/25CA%20060911%20_%20Uppdelad%20i%20sidor/25CA %20Beskrivn%20o%20tekn%2 0060911.pdf

[22] http://www.heb-zyl.com/heb-zyl/pdf/norm/heb-noz250.pdf [23] Broschyr “Double acting hydraulic cylinder HD 2200”, s. 7 [24] http://www.stackehydraulik.se/visa_produkt.asp?rId=184&c=100

4.3 Konstruktionskriterielista

Genom samtal med personer inom Bosch Rexroth samt konkurrentanalysen, skapas en konstruktionskriterielista. Listan upprättas för att enklare se vad produkten ska klara av samt ge information till konceptutvärderingen som genomförs i kapitel 9.5.3. Listan bygger på den befintliga CDL1 cylindern med några modifikationer. Listan ligger till grund för hela konstruktionsarbetet och är upprättad i tabell 4-1.

Kapitel 4: Förstudie

31

Funktion K1 _Ö2 _{Målvärde Anmärkning}

Skapa tryckkraft från fluidflöde Upprätthålla tryckkraft

Skapa dragkraft från fluidflöde Upprätthålla dragkraft Lägesgivare X X X X X Funktionsbestämmande egenskaper Olika diameterstorlekar Olika slaglängder Max arbetstryck Statiskt tryck

Klara flera olika fluider Maxhastighet för kolv Kunna placeras i olika vinklar Klara radiell belastning Interface mot kund

X X X X X X X X X 25 MPa 37,5 MPa Mineralolja, Vattenglykol, fostatester 0,5 m/s 0° till 360° Samma som CDL1 Samma som CDL1 DIN ISO 3320 Kundberoende Samma som CDL1 Samma som CDL1 Samma som CDL1 Bruktidsegenskaper Klara temperaturintervall Klara olika miljöer Enkelt underhåll Minimalt underhåll Livslängd för arbetstryck Livslängd för maxtryck X X X X X X -20 till+80ºC Oändligt 200 000 cykler Samma som CDL1 Fuktigt, torrt, vibrationer etc. Samma som CDL1 Samma som CDL1 Tillverkningsegenskaper

Bearbetning i befintlig maskinpark Enkel för montering Enkel installation i fält X X X Säkerhet

Uppfyller Bosch Rexroth standard X

Leveranskontroll

Provtryckt och kontrollerad X ISO 10100

Ekonomiska egenskaper Inköpskostnad för grundutförande Tillverkningskostnad för grundutförande Försäljningspris för grundutförande X X X Samma som CDL1 Samma som CDL1 Samma som CDL1 Material, komponenter Skrotnings- och återvinningsegenskaper

Komponenter kan separeras

Bosch Rexroth miljöpolicy efterföljs

X X

1_{K = Krav} 2_{Ö = Önskemål}

Kapitel 5

Problemgranskning

Kapitlet beskriver några utvalda komponenter och fogningar som kan vara kritsiska vid en tryckökning. De problem som presenteras i kapitel 5 är de problem som examensarbetet baseras på. Det är därför viktigt att problemen formuleras ingående och noggrant.

5.1 Kritisk granskning av problemet

Genom att göra en analys av befintliga CDL1, konkurrentanalys, litteraturstudie samt intervjuer med flera nyckelpersoner på Bosch Rexroth i Älvsjö, har en stor bas av information samlats ihop. Med denna information i baktanke ska en kritisk granskning av problemet utföras. Nedan följer fem punkter som ska arbetas vidare med.

5.1.1 Tjocklek på cylinderrör

Tjockleken på cylinderröret har inte kontrollerats för 25 MPa. Vad som händer med röret vid ökat tryck är ytterst intressant men även hur det påverkar andra delar. Andra intressanta frågor är hur dagens rör är dimensionerat i förhållande till de krafter som det påverkas av. Röret bör hållas så tunt som möjligt, inte bara för smidigheten utan även för att hålla ner kostnaden och vikten.

5.1.2 Svets

Enligt sammanställningar från äldre experiment, som genomförts i Älvsjö, har det visat sig att svetsen mellan bakgavel och cylinderrör ej klarat av ett tryck på 25 MPa. Experimenten, som gjordes för cirka tio år sedan, genomfördes med manuell svetsning och tenderade att gå av mitt i svetsen. Numera svetsas cylindrarna automatisk av en robot vilket gör att det inte riktigt är samma förutsättningar. Vidare är det två olika material som svetsas ihop med ett tredje under en hög temperatur, sammansmältningen är därför mycket viktig. Hur temperaturen påverkar cylindern, hur svetsen håller vid ett förhöjt arbetstryck, är exempel på frågor som måste utredas.

Fler experiment har utförts i utvecklingslaboratoriet i nutid. Ett experiment gick ut på att testa anslutningskutsen. Flera anslutningskutsar svetsades då fast vid ett cylinderrör som pluggades igen i gavlarna. Efter ett antal cykler i pulstest, började kutsarna läcka. Således bör även svetsen vid anslutningskutsen undersökas.

5.1.3 Gängor

Mellan kolv och kolvstång, cylinderrör och framgavel samt kolvstång och kolvstångsöra, sker fogningen på dagens cylinder genom gängningsförband. Det är ej säkerställt att förbanden klarar det ökade trycket. Gängförbandet på kolvstången måste kontrolleras extra noga med hållfasthetsberäkningar sedan äldre experiment visat på brott just här. Enligt resultaten på de äldre experimenten har proverna gått av precis i gängslutet och brottet har varit av utmattningskaraktär. Dynamiska beräkningar bör därför göras.

Gängorna förspänns även med en kraft. Då trycket i cylindern ökas måste även förspänningskraften ökas, såvida inte förbandet i dagens situation är överdimensionerat. Hur stor förspänningskraften blir påverkar i sin tur vilka dragspänningar som verkar i kolvstången. Därigenom blir även åtdragningsmomentet större.

5.1.4 Geometri

Cylindern har på flera ställen en geometri som ger upphov till spänningskoncentrationer. Beräkningar måste säkerställa att de mest utsatta delarna klarar trycket. Exempel på känsliga delar är radier på kolvstång, hål vid anslutning och smörjnippel samt gängor.

Kapitel 5: Problemgranskning

35

5.1.6 Kolvstångsöra

Godset i örat ska bära hela pålagda lasten. Hur spänningarna fördelas och i vilken storleksordning de är i bör undersökas.

5.2 Problemhantering

När frågeställningarna från kapitel 5.1 utreds bör även andra sätt att konstruera cylindern på att undersökas. Det blir då enklare att jämföra vad som är bra, acceptabelt respektive dåligt. Under utvecklingen kommer även prototyper tillverkas för att verkligt kunna bekräfta hur det fungerar.

Kapitel 6

Analys av tjocklek på cylinderrör

Kapitlet behandlar dimensioneringen av cylinderrörets godstjocklek. För att dimensionera godstjockleken beräknas först spänningen som dagens tryck i CDL1 ger upphov till. En konstruktion som ska klara ökat arbetstryck bör understiga denna spänning varför godstjockleken ökas tills det villkoret är uppfyllt.

6.1 Nuvarande situation

I dagens konstruktion har CDL1, med kolvstorlek 50 mm, fem millimeters godstjocklek i röret (ger en ytterdiameter av cylinderröret på 60 mm).

6.2 Beräkningar

Fallet behandlas som rotationssymmetriskt tillstånd i cylinderskal. I figur 6-1 ses en friläggning av problemet. Cylindern är belastad med inre övertrycket p som ger upphov till momenten Mx och Mφ samt spänningarna σx och σφ.

Figur 6-1. Cylinderröret frilagt som ett rotationssymmetriskt skal.

σx och σφ beräknas med formler som är desamma som för linjärelastisk balkteori med

fjädrande stöd [25]. För att kunna göra linjära beräkningar måste förskjutningarna vara mindre än halva godstjockleken, vilka de med säkerhet är.

Förskjutningen härstammar ur den inhomogena differentialekvationen [25]: ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ _{− ⋅} = + a N p w dx w d υ x ξ κ 1 4 4 4 4

Genom jämviktsekvationen ovan kan förskjutningen beräknas, (samband (B-3) i appendix B): ) cos sin ( ) cos sin ( ) (x w e C₁ x C₂ x e C₃ x C₄ x w = _part + −κx ⋅ κ + ⋅ κ + κx ⋅ κ + ⋅ κ

Membrantillståndet utgörs här av partikulärlösningen till ekvationen och resterande termen beskriver avvikelsen i form av böjtillstånd [25]. För tunna skal kan transversell skjuvdeformation bortses från vilket medför att τxφ= 0.

Kapitel 6: Analys av tjocklek på cylinderrör

39

Då förskjutningen är känd kan spänningen beräknas, formel (B-22). I appendix B hittas hur sambandet mellan förskjutning och spänning ser ut.

6.3 Resultat

Jämförspänningen beräknas som funktion av godstjockleken i cylinderröret, samband (B-23). Figur 6-2 och 6-3 visar vilken spänning som uppträder i delningen mellan bakgaveln och cylinderröret, baserat på beräkningar samt tabeller i appendix B. De ensamma punkterna i figurerna illustrerar CDL1’s spänning för dagens tryck och linjerna illustrerar vad spänningen blir för ett högre tryck beroende på vilken godstjocklek som används.

Spänning i bakgavel vid arbetstryck

0 50 100 150 200 250 300 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 t [mm], rörtjocklek σ [M P a ]

25 MPa Nuvarande spänning CDL1 (16 MPa)

Spänning i bakgavel vid statiskt tryck 0 50 100 150 200 250 300 350 400 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 t [mm], rörtjocklek σ [M P a ]

37,5 MPa Nuvarande spänning CDL1 (24 MPa)

Figur 6-3. Figuren visar vilken spänning som uppstår i bakgaveln vid olika rörtjocklekar vid statiskt

tryck.

6.4 Slutsatser kring beräkningar för cylinderrörstjocklek

Slutsatser som kan antagas är att problemet inte är linjärt. Det spelar ingen större roll för spänningen om sju millimeters godstjocklek används eller tio. Däremot bör tjockleken minst vara sex och en halv millimeter, helst sju, för att säkert understiga motsvarande spänning som uppkommer i CDL1.

Kapitel 7

Analys av svets

Kapitlet behandlar bakgavelns och anslutningskutsens fogning till cylinderröret. Ett krav från Bosch Rexroth är att bakgaveln ska svetsas fast i cylinderröret då cylindern är tänkt som en lågprisvariant. I kapitlet beskrivs nuvarande situation, problem som kan uppstå vid ökat tryck samt beräkningar i svetsen. Modifikationer som behöver utföras presenteras också i kapitlet.

7.1 Funktion

Svetsning är ett väl beprövat koncept då två komponenter ska fogas ihop. Det finns ett flertal olika processer för att frambringa önskat resultat. Exempel på metoder för svetsning av typen som önskas vid hydraulcylindern kan vara MIG, MAG, TIG och friktionssvetsning. De tre första är metoder för gassvetsning och den sistnämnda en metod där energi att foga samman detaljerna alstras genom friktion. Grundläggande fakta är att materialen som ska svetsas ihop genom en vald process måste uppfylla vissa kriterier. Utgående från en bedömning av hur bra dessa är ges materialet en viss svetsbarhet [26]. Materialets förutsättningar kan vara relativt komplicerade vilket kan medföra höga kostnader.

För att erhålla ett material med goda hållfasthetsegenskaper och kvalitet får inte svetsgodsets kvalitet vara av lägre klass än grundmaterialet [27]. En viktig parameter ur hållfasthetssynpunkt är även tillförd sträckenergi. Sträckenergin [26] är den energi som behövs tillföras systemet för att få materialen att fogas och kommer därmed att i högsta grad påverka svetshastighet, avkylning samt hållfastheten. Den åstadkommes enligt vald svetsprocess, dvs. genom eldslåga, friktion etc. Figur 7-1 visar en principskiss på hur en stumsvets kan se ut.

Figur 7-1. Svetsens zoner [28].

[26] Karlebo svetshandbok, 2002, s. 11, 14, 198 [27] Karlebo handbok, 2000, s. 688

[28] http://www.svets.se/tekniskinfo/svetsning/svetsenszoner.4.ec944110677af1e8380009742.html

Kapitel 7: Analys av svets

43

7.2 Nuvarande situation

På befintliga CDL1 finns två svetsfogar, en mellan bakgavel och cylinderrör samt en mellan anslutningskuts och cylinderrör. Svetsmetoden är en så kallad MAG, Metall Aktiv Gassvetsning, den går ut på att en ljusbåge smälter en kontinuerligt frammatad elektrod i en skyddsgas vilken reagerar med smältan. Svetsprocessen är robotstyrd vilket ger en hög kvalitet som med rätt förinställning levererar felfria produkter med hög produktivitet [29]. Innan själva svetsfasen kan sättas igång måste delarna som ska svetsas glödgas så att materialet lättare smälter samman med svetsgodset. Om materialet är kallt kan sprickbildning vara en risk.

Svetsen mellan anslutningskutsen och cylinderröret är en kälsvets. I figur 7-2 illustreras svetsen. Cylinderröret planas på ovansidan där anslutningskutsen ska svetsas fast. Bakgavel och cylinderrör stumsvetsas ihop med en V-fog som figur 7-3 nedan visar. Det viktigaste i fallet med bakgaveln är att svetsen inte bränner igenom. Det betyder att rörets insida inte får skadas samt att inget material får hänga ned från rörets insida eftersom kolven, som har ett mycket litet spel gentemot röret, ska röra sig där. Även att beakta beträffande bakgaveln är att den skarpa kant som blir vid svetsens rot kommer att var orsak till en hög spänning. Då röret vid trycksättning vill expandera samt att det redan är ett litet spel mellan rör och gavel på grund av toleranser, kommer en spänningskoncentration att uppstå i svetsens rot.

Figur 7-2. Anslutningskuts och cylinderrör. Figur 7-3. Bakgavel och cylinderrör.

Kvalitetsklassen WCT som kan ses i figurerna ovan, är vald av hänsyn till sprödbrottsrisk. T innebär att svetsen måste vara tät och WC indikerar att svetsklassen följer ISO-standard. Högre kvalitetsklass (exempelvis WB) ger bättre svetsbarhet och mindre sprickrisk [30].

För att lättare få en bild över hur väl dagens konstruktion fungerar, intervjuas Hans-Erik Jonsson som arbetar på Bosch Rexroth i Älvsjö. Hans-Erik arbetar som arbetsledare och har haft insyn i svetsningen i många år och får därmed anses kunna området. Intervjun återfinns i appendix C.1. Enligt Hans-Erik går det ej att använda nuvarande cylinder om arbetstrycket ska ökas till 25 MPa, eller statiska trycket till 37,5 MPa. Det är redan idag svårt att svetsa fästet mellan cylinder och bakgavel, främst då det är lätt att få genombränning i cylinderröret.

[29] Karlebo svetshandbok, 2002, s. 185