Växelmekanism för att styra läge och inkoppling av kopplingshylsor i en transmission

(1)

inkoppling av kopplingshylsor i en

transmission

KPP305 Examensarbete, Produktutveckling

30 poäng, Avancerad nivå

Produkt- och processutveckling

Civilingenjörsutbildningen Innovation och Produktdesign

Teddy Wallin

Mikael Söderkvist

Rapportkod: IDPPOPEXD:07:93

Uppdragsgivare: Volvo CE Component Division Handledare (företag): Daniel Jansson, Rikard Mäki Handledare Mdh: Karl-Olof Axberg

(2)

The purpose of this thesis work was to investigate, develop and generate novel concepts for a gear shift mechanism as alterative to the existing concept for control and movement of coupling sleeves in a power shift transmission. Further on trends in transmission actuation has been explored.

The work has been carried out as a pre-study with establishment of QFD, product design specification, concept generation and evaluation of possible concepts. A Task analysis was preformed as support for idea generation carried out through brainstorming, brainwriting and morphologic methodology.

When performing QFD a problem arose that could cause bias with factors that are weight at wrong system level. For example could the influence on effect losses and engine load caused by the mechanism power system be one source for bias. The work results in four concepts for steering and control of coupling sleeves for a power shift transmission. Three concepts involve brushless dc (BLDC) motors with mechanical gearing for selection and movement of the coupling sleeve. The fourth concept is a well proven solution where the sleeve is moved by hydraulic pistons likewise the shift rail. All concepts are supporting none sequential gear choice for optimization of performance and gearshift comfort.

Performed pre-study regarding gearshift mechanisms show that use of electric motors and actuators will replace smaller hydraulic systems in the future. Research, environmental and general technical development points towards that direction.

Project recommendations concerning patent research, detail development, simulation and validation are issues that need attention for further work.

KEYWORDS:

(3)

rbetet har bedrivits som en förstudie med framtagande av QFD, och

nder arbetet med QFD:n uppenbarades en problematik som kan ge upphov till

esultatet mynnar ut i fyra koncept för styrning och kontroll av kopplingshylsor i

enomförd förstudie kring växelmekanismer talar för att elektriska motorer

ekommendationer för fortsatt arbete med projektet innefattar djupare

YCKELORD:

ission, ställdon, kopplingshylsa, produktutveckling,

fram nya koncept som alternativ till den befintlig lösning för styrning av kopplingshylsor i en power-shift-transmission. Vidare har trender inom transmissionsmekanismer undersökts.

A

kravspecifikation samt konceptgenerering med utvärdering av tänkbara koncept. Funktionsanalys uppfördes som stöd till idégenereringen som bedrivits med hjälp av brainstorming, brainwriting och morfologisk metodik.

U

skevhet med faktorer som viktas på fel systemnivå. Som exempel kan inverkan på effektförluster och motorbelastning av mekanismens kraftsystem vara en källa till skevhet.

R

en power-shift-transmission. Tre av koncepten baseras på borstlösa DC (BLDC) motorer med mekanisk utväxling för val och förflyttning av kopplingshylsan. Det fjärde konceptet är en välbeprövad lösning där kopplingshylsan förflyttas med hjälp av hydraulkolvar tillika skiftaxel. Samtliga koncept medger icke-sekventiella växelval för optimering av prestanda och växlingskomfort.

G

kommer att ersätta mindre hydrauliska system i framtiden. Såväl forskning som miljöaspekter och allmän teknikutveckling pekar mot detta.

R

patentsökningar, detaljkonstruktion, simulering och validering, vilka är punkter som behöver ytterligare uppmärksamhet.

N

(4)

Vi tackar Volvo Construction Equipment Components AB och avdelningen TUK 14820 för ett intressant examensarbete. Vi vill tacka våra handledare Daniel Jansson och Rikard Mäki på Volvo, samt övrig personal på 14800 för en lärorik och intressant tid. Ett tack riktas även till vår handledare Karl-Olof Axberg på Mälardalens högskola samt övrig personal som hjälpt oss.

_______________________ _______________________

Teddy Wallin Mikael Söderkvist

(5)

1 INLEDNING 1 1.1 BAKGRUND 1 1.2 PROJEKTDIREKTIV 1 1.3 SYFTE OCH MÅL 1 1.4 PROJEKTAVGRÄNSNINGAR 2 2 PROBLEMFRAMSTÄLLNING 3 2.1 TRANSMISSIONEN 3 2.1.1 POWERTRONIC 3 2.2 BEFINTLIG LÖSNING 4

2.2.1 VOLVO SEKVENTIELL VÄXELMEKANISM [BARREL-CAM] 4

2.3 PROBLEMOMRÅDE 5 2.3.1 FÖRFLYTTNING 5 2.3.2 AKTUERINGSSYSTEM 6 2.3.3 KONTROLL 6 2.4 PROBLEMFORMULERING 6 3 LÖSNINGSMETODIK 7 3.1 LÖSNINGSSTRATEGI 7 3.1.1 FÖRSTUDIE 7 3.1.2 FUNKTIONSANALYS 7

3.1.3 QUALITY FUNKTION DEPLOYMENT (QFD) 8 3.1.4 KRAVSPECIFIKATION 9 3.1.5 KONCEPTGENERERING 9 3.1.6 KONCEPTUTVÄRDERING 10 4 REFERENSRAM 11 4.1 TANDKOPPLING 11 4.2 SYSTEM FÖR AKTUERING 11 4.2.1 HYDRAULSYSTEM 12 4.2.2 ELEKTROMEKANIK 13

4.3 AUTOMATISERAD MANUELL TRANSMISSION 15 4.3.1 VOLVO I-SHIFT 15

4.3.2 POWER-SHIFT 16

4.3.3 VÄXELMEKANISMER I LIKNANDE APPLIKATIONER 17

4.3.4 FRAMTID 20 5 TILLÄMPAD LÖSNINGSMETODIK 21 5.1 FUNKTIONSANALYS 21 5.2 QFD 21 5.3 KRAVSPECIFIKATION 22 5.4 KONCEPTGENERERING 22

(6)

5.4.4 KONCEPT4 26 5.4.5 KONCEPT5 26 5.4.6 KONCEPT6 27 5.4.7 KONCEPT7 28 5.4.8 KONCEPT8 29 5.4.9 KONCEPT9 30

5.5 KONCEPTUTVÄRDERING I FYRA STEG 30

5.5.1 BEDÖMNING AV LÄMPLIGHET 30

5.5.2 BEDÖMNING AV TEKNIKINNEHÅLL 31

5.5.3 UPPFYLLELSE AV KRAVSPECIFIKATION 32

5.5.4 VÄRDERINGSMATRIS 32

6 RESULTAT OCH ANALYS 33

6.1 ALLMÄNT FÖR KONCEPTEN 33 6.2 KONCEPT 1 33 6.2.1 UTFORMNING 33 6.2.2 VAL AV KOPPLINGSHYLSA 33 6.2.3 MEKANISMRÖRELSE/KRAFT 34 6.2.4 KONTROLL/LÅSNING 34 6.2.5 VARIANT/UTVECKLING 35

6.2.6 SAMMANFATTNING OCH ANALYS 36

6.3 KONCEPT 2 37 6.3.1 UTFORMNING 37 6.3.2 VAL AV KOPPLINGSHYLSA 37 6.3.3 MEKANISMRÖRELSE/KRAFT 37 6.3.4 KONTROLL/LÅSNING 38 6.3.5 VARIANT/UTVECKLING 38

6.6 SAMMANFATTANDE ANALYS 43

7 SLUTSATS OCH REKOMMENDATIONER 45

(7)

FIGUR 3 ANSÄTTNING AV KOPPLINGSHYLSA 4 FIGUR 4 VOLVO SEKVENTIELL VÄXELMEKANISM 5

FIGUR 5 LINJÄRT STÄLLDON 14

FIGUR 6 PRINCIPSKISS FÖR EN KULSKRUV 15

FIGUR 7 VOLVO POWERTRAIN I-SHIFT 16

FIGUR 8 PRINCIPSKISS FÖR EN DCT 16

FIGUR 9 VOLVO I-SHIFTS REGLAGEHUS/VÄXLINGSMEKANISM 17 FIGUR 10 VÄXELVALSTRUMMA KAPS TRANSMISSION 18 FIGUR 11 LUKS DUBBLA KAMTRUMMOR 18 FIGUR 12 LUK ACTIVE INTERLOCK 19 FIGUR 13 RICARDO "CRANE" SHIFT ACTUATOR 19 FIGUR 14 AKTUERINGSSYSTEM 20 FIGUR 15 FUNKTIONSANALYS 21 FIGUR 16 ABSTRAKTION AV KONCEPT 1 23 FIGUR 17 ABSTRAKTION AV KONCEPT 2 24 FIGUR 18 PRINCIPSKISS FJÄDERBELASTADE KULOR 24 FIGUR 19 ABSTRAKTION AV KONCEPT 3 25 FIGUR 20 ABSTRAKTION AV KONCEPT 4 26 FIGUR 21 ABSTRAKTION AV KONCEPT 5 27 FIGUR 22 ABSTRAKTION AV KONCEPT 6 27 FIGUR 23 ABSTRAKTION AV KONCEPT 7 28 FIGUR 24 ABSTRAKTION AV KONCEPT 8 29 FIGUR 25 ABSTRAKTION AV KONCEPT 9 30 FIGUR 26 SKIFTGAFFEL 34 FIGUR 27 ELMOTOR MED KUGGHJUL 34 FIGUR 28 LÅSRING 35 FIGUR 29 PRINCIPSKISS AV VARIANT PÅ SKIFTFINGER 35 FIGUR 30 ABSTRAKTION AV VARIANT PÅ KONCEPT 1 36 FIGUR 31 ABSTRAKTION AV HYBRIDVARIANT PÅ KONCEPT 1 36 FIGUR 32 LÄGESGIVARE 38 FIGUR 33 LÄNKARM 40 FIGUR 34 ABSTRAKTION AV VARIANT PÅ KONCEPT 8 41 FIGUR 35 ABSTRAKTION AV VARIANT PÅ KONCEPT 9 43 BILAGOR ______________________________________________________________ BILAGA 1 VÄXLINGSPROCESS BILAGA 2 FUNKTIONSANALYS BILAGA 3 QFD BILAGA 4 KRAVSPECIFIKATION BILAGA 5 KONCEPTGENERERING BILAGA 6 KONCEPTUTVÄRDERING BILAGA 7 ELMOTOR BILAGA 8 CAD-VISUALISERING APPENDIX ___________________________________________________________________

(8)

1 Inledning

Följande kapitel handlar om examensarbetets ramar. Bakgrund, syfte, mål och avgränsningar samlas härunder, vilka tillsammans utgör viktiga komponenter för att nå ett önskvärt och kvalitetsmässigt gott resultat.

1.1 Bakgrund

Components Division vid Volvo Construction Equipment AB ansvarar för utvecklingen av drivlinan till anläggningsmaskiner däribland dumprar, hjullastare och väghyvlar. Komponenterna som utvecklas till maskinerna är motorer, axlar, fordonselektronik och växellådor. Hög kvalitet och driftsäkerhet är egenskaper som värderas högt och följaktligen egenskaper som produkten måste kunna leverera under krävande förhållanden. Smuts, vatten och höga temperaturer är inga ovanliga inslag i de miljöer som utgör maskinernas vardag. Två utvecklingsområden har prioriterats till följd av det ökande fokus på utsläpp av växthusgaser och det ökande priset på bränsle under senare tid. De områden som anses viktigast vid utveckling av tunga anläggningsmaskiner är bränsleförbrukning och verkningsgrad. För dumprar ligger fokus på dess växellåda och axlar för optimering av interna förluster i dessa.

1.2 Projektdirektiv

• Litteraturstudie för insamling av koncept hos liknande applikationer inom fordonsindustrin.

• Att förutsättningslöst ta fram egna och/eller vidareutveckla koncept med mekaniska, hydrauliska, pneumatiska eller elektriska ställdon.

• Utvärdering av för- och nackdelar med avseende på prestanda, kostnad och komplexitet.

• Sammanställning av arbetet i en rapport inklusive rekommendationer för fortsatt utveckling.

1.3 Syfte och mål

Syftet med examensarbetet är att för Volvo CE Component Division i Eskilstuna undersöka, generera och utvärdera koncept kring växelmekanismer i växellådor. Arbetet avser att generera alternativa lösningar till befintligt koncept för styrning och inkoppling av kopplingshylsor som finns hos företaget.

Målet med examensarbetet är att förutsättningslöst ta fram ett eller flera koncept för hur kopplingshylsor kan styras så att växling är möjligt. Framtagna koncept är planerade att utvärderas och analyseras för att se vilka lösningar som har störst potential. Mål tillskrivs att ta fram ett underlag för att bedöma lämplighet och möjligheter hos genererade koncept, vilket ligger till grund för vidare utveckling. Fokus ligger på ett system som ej är sekventiellt i växlingsförfarandet så att transmissionen ges möjlighet att fritt välja växel om detta behövs. Systemet bör även kunna verifiera positionering av kopplingshylsor.

(9)

1.4 Projektavgränsningar

Examensarbetet omfattar 20 veckors heltidsstudier med start i september 2007. Arbetet avgränsar sig till att studera den mekanism som manövrerar kopplingshylsor som finns i en växellåda.

Med växlingsmekanism menas den sammansättning av komponenter som möjliggör förflyttning av en eller fler kopplingshylsor i en växellåda. Arbetet är begränsat till basväxellådan, således är eventuella kopplingar, split- och rangeväxel utanför ramarna för examensarbetet.

De koncept som tas fram ska utvärderas och sammanställas i rapportform tillsammans med tillhörande arbetsprocess. Arbetet kommer att innehålla rekommendationer för fortsatt utveckling. Validering och produktionsaspekter ingår ej.

(10)

2 Problemframställning

Detta kapitel tydliggör bakgrunden till utvecklingsarbetet och utgör basen för examensarbetet. En introduktion till dagens automatiska växellåda ger en bild av varför Volvo CE initierat ett utvecklingsprojekt, vidare analyseras Volvo CE:s koncept för styrning av kopplingshylsor. Avslutningsvis beskrivs problemområden och en problemformulering ställs.

2.1 Transmissionen

2.1.1 Powertronic

I dagens dumperfamilj sitter det Powertronic-växellådor, Powertronic är en helautomatisk planetväxellåda konstruerad för automatisk växling med möjlighet till manuell växling genom att maskinföraren kan välja vilken nästkommande växel som skall engageras. Växellådan är utvecklad för tunga applikationer och är av power-shift-typ, med vilket menas att växlingar sker med mycket litet momentavbrott. Momentavbrott är inte önskvärt hos denna typ av fordon då det leder till att framdrivningen avbryts, ökade påfrestningar på drivlinan vid inkopplingsögonblicket, risk för oönskade stopp samt ökad bränsleåtgång för att ta igen momentförlusten. En annan faktor är växlingskomforten, då växlingar sker utan avbrott i drivningen minimeras även det lilla rycket som kan kännas vid växlingar i manuella transmissioner.

Figur 1 Powertronic III -transmissionen Bild från [26]

2.1.1.1 Växellådan

Momentomvandlaren överför kraften via växellådans planetväxelsystem till utgående axel. Systemet består av ett antal planetväxlar, hydrauliskt styrda lamellkopplingar och bromsar. De oljekylda bromsarna och lamellkopplingarna styr planetväxlarnas arbete genom att låta vissa delar av planetväxelns komponenter rotera medan andra låses.

(11)

Den faktiska växlingen erhålls genom en kombination av två kopplingar, som roterar i växellådan, och fem bromsar som låser olika delar av planetväxlarna i växellådshuset. Framåtkopplingen länkar samman turbinaxeln med huvudaxeln, medan bakåtkopplingen länkar samman turbinaxeln med röraxeln. Bromsarna låser ihop planetväxelns krondrev, planethjulshållare eller solhjul i växellådshuset så att de inte kan rotera. Bromsarna och kopplingarna består av packar med plåtar som pressas ihop av en hydraulisk kolv när de kopplas in. Vid körning framåt, är framåtkopplingen och en broms alltid inkopplad, utom vid direktutväxling när både framåt- och bakåtkopplingen är inkopplade, men utan några bromsar.

2.2 Befintlig lösning

För att minska förluster som uppkommer från bromsar och våta lamellkopplingar i automatiska växellådor, pågår en studie kring att ersätta kopplingar med mekaniska kopplingshylsor (1) liknande de som finns i manuella växellådor inom lastbilar. Dessa har fördelen att friktionsförlusterna är små och att det krävs liten eller ingen kraft att hålla dessa ansatta. För att åstadkomma en transmission som använder kopplingshylsor samt fortfarande är automatisk och av power-shift-typ, har Volvo inlett en studie på en avancerad Automatiserad Manuell Transmission (AMT).

1

Figur 2 Kopplingshylsa

Läge 1 Neutral Läge 2 Läge 3 Ansatt

Figur 3 Ansättning av kopplingshylsa Bild från [14]

2.2.1 Volvo Sekventiell Växelmekanism [Barrel-cam]

Det koncept som Volvo CE Component Division i Eskilstuna har arbetat fram för styrning av kopplingshylsor i transmissionen är av sekventiell typ och förekommer bland annat till växellådor i motorsportsfordon. Växelmekanismen

(12)

består i huvudsak av en växelvalstrumma (barrel-cam), tre hydraulcylindrar vilka bildar en hydraulmotor samt ett antal växelvalsgafflar som överför trummans rotation till linjär axiell rörelse för kopplingshylsorna [12]. Detta sker genom de kurviga korkskruvsliknande spår som finns frästa i trumman där spåren är konstruerade så att en eller fler gafflar kan röra sig samtidigt och bara i en given ordning.

1 2

3

Figur 4 Volvo Sekventiell Växelmekanism

(1) Barrelcam, (2) Hydraulmotor, (3) Skiftgafflar, bild från [12]

För varje växelval roteras trumman av hydraulmotorn ett förbestämt antal grader, spåren i trumman påverkar gaffeln som tvingas till förflyttning axiellt framåt eller bakåt [12]. Fördelar med upplägget är att växlingsförfarandet går väldigt fort samt att antalet rörliga artiklar kan hållas till ett minimum. Nackdelar med konceptet kan tänkas vara att möjligheten till fria växelval helt uteblir. Detta innebär att föraren inte kan hoppa över växlar, för att få extra vridmoment till hjulen utan att stega igenom samtliga mellanliggande växlingssteg. Samtidigt som det kan vara en nackdel är det en inbyggd säkerhet mot felaktiga växelval som potentiellt kan skapa en låsning i växellådan.

2.3 Problemområde

För att bryta ner komplexiteten i en växelmekanism har tre områden identifierats som centrala, vilka kort presenteras nedan. För en illustration hänvisas till kapitel 5.1 funktionsanalys, bilaga 1 visar ett schema för växelvalsprocessen.

2.3.1 Förflyttning

Växelmekanismens primära uppgift är att genomföra växelval genom att förflytta kopplingshylsor till givna positioner. Processen innebär att olika axlar (ingående och utgående) ska sättas i rotation på ett snabbt och kontrollerat sätt via kugghjul och manövrerbara kopplingar. Förflyttningen av kopplingshylsorna kan utföras på två sätt, antingen sekventiellt (given ordning) eller individuellt (oberoende ordning) och påverkar prestanda för fordonet.

När befintlig lösning är av sekventiell typ finns anledning att utreda om förflyttningen kan göras individuell via vidareutveckling, eller om andra lösningar behöver tas fram för att nå detta.

(13)

Med individuellt växelval menas att föraren eller transmissionens styrsystem väljer vilken nästkommande växel som skall engageras utan att samtliga växlingssteg stegas igenom (växlar kan hoppas över). En hoppad växel betyder ett oändligt kort växlingssteg, det vill säga tiden det tar att stega från 1-4 går snabbare än 1-2-3-4. Att säga att ett sådant förfarande är nödvändigt eller inte är en avvägning som är svår, men inverkar på prestanda och kan betyda fördelar för framdrivning av tunga fordon.

2.3.2 Aktueringssystem

För att åstadkomma förflyttningen av kopplingshylsorna krävs en verksam kraft, det vill säga ett aktueringssystem med ställdon. I Volvo CE:s fordon finns idag hydrauliska system i drivlinan (transmissioner) för ansättning av bland annat våta kopplingar. Då hydraulik finns tillgängligt kan det anses onödigt att använda andra kraftsystem till ställdon i växlingsmekanismen, speciellt när förlusterna som hydrauliken här förorsakar kan ses som ringa. Detta till trots finns anledning att se över huruvida hydraulik bör nyttjas och vilka alternativ som finns till hydrauliska ställdon, inte minst i avseende på konkurrensfördelar kring prestanda och framtida teknikutveckling.

2.3.3 Kontroll

En växellåda är avgörande enhet för att kunna utföra komfortabel framdrivning av ett fordon i olika hastigheter. Funktionen behöver vara precis för att motverka såväl risk för haveri som obehag för förare (ljud, ryck, slag). Växelmekanismen är den komponent som direkt verkar för utfallet i växlingen och hur väl det upplevs. Därav är det av största vikt att kunna kontrollera växelmekanismen och hur den utför växelval.

Med kontroll menas att kopplingshylsors positioner skall kunna säkerställas för att hylsor inte ska ansättas eller återgå till neutral position när så ej önskas. Utfallet för oavsiktlig flytt av en kopplingshylsa kan ge slag och oljud från kugghjul, förlorad drivning och i värsta fall växellådshaveri. Kontrollerbarhet till växelmekanismen blir därmed ett viktigt problemområde som måste sökas lösningar till.

2.4 Problemformulering

Efter genomgång av kapitlet formuleras följande fråga som ingång till det fortsatta arbetet:

Hur kan en växelmekanism utformas för att styra läge och inkoppling av kopplingshylsor?

Med avseende på: • Förflyttning • Aktueringssystem • Kontrollerbarhet

(14)

3 Lösningsmetodik

I detta kapitel redogörs med vilka verktyg och metoder problem har angripits. Teori och metod beskrivs samt olika produktutvecklingsverktyg introduceras.

3.1 Lösningsstrategi

Lösningsstrategin för examensarbetet bygger på en förstudie där insamling och bearbetning av teori och information sker förutsättningslöst. Med utgångspunkt i det insamlade materialet genomförs en analys av befintligt koncept för att identifiera förbättringsmöjligheter.

Metoder och verktyg för produktutveckling används för att underlätta och strukturera arbetet samt med matriser kunna analysera och utvärderar genererade koncept. Funktionsanalys används för att skapa en djupare förståelse kring problemet och den helhet, som tillsammans med QFD och kravspecifikation utgör underlaget för den kreativa konceptgenreringen. De verktyg som framförallt används i konceptgenereringen är brainstorming, brainwriting och morfologisk metodik.

Genom ett strukturerat arbetssätt utvärderas koncepten i fyra steg, med bedömning av lämplighet, teknikinnehåll uppfyllelse av kravspecifikationen samt värderingsmatris.

3.1.1 Förstudie

Grunden till examensarbetet läggs genom en bred studie med insamling av koncept hos liknande applikationer inom fordonsindustri och automation. En större del information insamlas genom sökning i databaser för tekniska rapporter, patent och Internet. Underlag hämtas även genom internmaterial, diskussioner och frågesamtal hos Volvo CE Component Division.

En förberedande analys görs för att skapa en ingång och få förståelse för problemet. En kortare presentation av den växellåda som används i Volvo CE:s dumprar genomförs, därefter beskrivs företagets befintliga lösning samt analys av de problemområden som föreligger. Genom detta förtydligas problemet och en problemformulering sätts upp.

De referensramar som innefattar den teoretiska bakgrunden består framförallt av insamlade koncept för växlingsmekanismer samt aktueringskoncept.

3.1.2 Funktionsanalys

En funktionsanalys upprättas för att skapa fördjupad förståelse kring de funktioner växlingsmekanismen består av. I funktionsanalysen bryts problemet ned till funktioner där vikten ligger på vad som skall utföras, huvudfunktion, och de delfunktioner som krävs för att huvudfunktionen skall uppfyllas. Här söks inte en färdig lösning, snarare vilka funktioner som är nödvändiga för att uppnå det

(15)

önskade resultatet. En färdig lösning antas senare i processen. Här gäller det att skapa förståelse och se möjligheter – att tänka först och handla sedan [3].

En funktionsanalys bygger på att en överordnad funktion eftersöks, problemets primära funktion är i fokus. Denna funktion är unik och brukar betecknas som huvudfunktion (HF). För att kunna utföra huvudfunktionen, identifieras andra funktioner som direkt behövs för att kunna uppfylla HF. Sådana kallas i funktionsanalysen för delfunktioner (DF), finns inte DF kan den primära funktionen ej uppfyllas. Funktioner som inte är direkt nödvändiga men önskvärda betecknas som stödfunktioner (SF). Beskrivningen av funktionerna sammanfattas kort och koncist med ett verb och ett substantiv och visualiseras ofta i ett funktionsträd [7].

Med utgång från funktionerna kan konceptidéer skapas. Av den anledningen kan man inse att själva förståelsen av funktionerna är viktig för möjligheten att nå goda koncept, då dessa oftast erhålls först när man helt förstår hur funktionen ska uppfyllas [4].

3.1.3 Quality funktion deployment (QFD)

Quality Function Deployment QFD, house of quality eller kundcentrerad planering [2], är ett arbetssätt med utgångspunkt från kundbehov och förväntningar med hänsyn till konkurrenters produkter. Kundens önskemål och behov identifieras och översätts till mätbara storheter. Dessa storheter ligger till grund för de val man gör med avseende på konstruktions- och produktionslösningar så att kundens vilja beaktas under hela utvecklingsprocessen.

QFD används som metod i arbetet för att finna samband mellan de krav som svarar på vad produkten skall utföra och de mätbara produktegenskaper som berättar hur det skall uträttas. Genom informationssökning och samtal på företaget identifieras krav och egenskaper vilka utgör grunden för analys av hur befintlig, konkurrerande och tänkta nya lösningar uppfyller marknadens behov och ställda krav.

Eftersom arbetet behandlar en delkomponent i ett större system kan denna matris vara vilseledande, då det lätt kan viktas in aspekter som omfattar ett större perspektiv än bara delkomponenten. Gränssnittet mellan kund och produkt är heller inte klart definierat vilket även det kan ge upphov till skevhet (bias) [1] när kundkraven formuleras då det kan var svårt att få fram tillräckligt bra underlag för kundönskemål. Vidare är det viktigt att se QFD som ett verktyg och inte en strategi, ett verktyg som skall användas när projektet behöver det, inte för att driva projektet. En av de stora fördelarna med QFD är den diskussion som verktyget ger upphov till och spontana idéer som föds under upprättandet av matrisen.

(16)

3.1.4 Kravspecifikation

Upprättandet av kravspecifikationen görs för att konkretisera bestämda krav vilka skall uppfyllas för att säkerställa funktionen hos koncepten. Då kravspecifikationen skall kunna fungera som ett styrdokument för fortsatt utvecklingsarbete skall den formuleras utförligt och detaljerat. För att fylla den funktionen är det viktigt att hålla dokumentet levande och uppdatera när föreskrivna förutsättningar ändras [4]. Dokumentet baseras på uppgifter från företaget samt utifrån tolkning av mätbara målvärden erhållna från QFD. Målet med kravspecifikationen är att förutse krav och faktorer som är av vikt för att funktionen skall uppfyllas.

3.1.5 Konceptgenerering

Till den kreativa delen av utvecklingsprocessen där lösningar till funktioner och problem skall genereras används funktionsanalysen, QFD och kravspecifikationen. Dessa verktyg ger underlag till aktiviteter som brainstorming, morfologisk metodik och visualisering.

3.1.5.1 Brainstorming

Principen för brainstorming är enkel och effektiv. Metoden nyttjar en grupps samlade kompetens och fantasi för att genererar många nya lösningar till problem och produkter. Under en brainstormingsession får associationer och fantasi utrymme att flöda fritt. Det är nödvändigt att utse en deltagare till sekreterare, vars uppgift blir att fånga idéerna på ett för övriga deltagare synligt blädderblock [3]. Detta för att synliggöra och förtydliga uppkomna idéer för vidare associationer. Under denna aktivitet är det inte ovanligt att vilda, galna och omöjliga idéer föds men det är absolut förbjudet att kritisera, utvärdera eller döma ut idéer och lösningsförslag.

3.1.5.2 Morfologisk metod

Metoden har mycket gemensamt med brainstorming men bedrivs i två steg och fokus ligger på att skapa så många koncept som möjligt till respektive funktion [5]. Den tidigare skapade funktionsanalysen kommer därmed till nytta för det kreativa tänkandet. I det första steget skall koncept genereras till produktens delfunktioner/stödfunktioner. Lösningarna bör hållas så abstrakta som möjligt, snabba skisser och beskrivning med ord.

Resultatet från det första steget blir en lista med olika lösningsförslag för var individuell funktion. Lösningsförslagen skall därefter kombineras för att ge upphov till ett koncept som löser samtliga funktioner. Kombinationsmöjligheterna ger ofta upphov till en enorm mängd koncept vilket kan vara en nackdel.

3.1.5.3 Visualisering

För att förtydliga koncepten används visualisering i form av skisser på papper såväl som i CAD. Skisserna används som kommunikationsunderlag och ger en klarare bild på funktionen och lösningen av idéerna. I det tidiga

(17)

visualiseringsstadiet är det förnuftigt att behandla alla idéer jämlikt och hålla dessa på samma abstrakta nivå [5]. Detta för att bevara objektivitet och undvika favorisering av koncept, exempelvis är det lättare att ”falla” för en idé som är bättre visualiserad/beskriven än en annan. Idéerna bör följaktligen hållas på en mindre detaljrik nivå för att inte komplicera och förkasta idéerna för tidigt.

3.1.6 Konceptutvärdering

Utvärdering av koncept sker genom analys i fyra steg [4], där metoden kan ses som en filtrering och där varje steg ger ett finare filter. Koncept analyseras först individuellt i tre steg och därefter tillsammans i ett fjärde steg där kvarvarande koncept jämförs i en värderingsmatris för att finna det eller de koncept som anses starkast. Initialt görs en bedömning av lämplighet, där acceptans på marknad, patent och tillgång på teknik/kunskap utgör faktorer för bedömningen. Vidare bedöms teknikinnehåll med frågor om teknisk mognad, krav på ytterligare utveckling/forskning och om tekniken är beprövad. I det tredje individuella steget görs en analys på hur väl konceptet uppfyller kravspecifikationen. I det sista utvärderingssteget placeras kvarvarande koncept mot viktade krav från kravspecifikationen i en värderingsmatris. Volvos befintliga koncept står som referens och alla koncept ställs mot detta. Utifrån resultatet från denna process kan ett beslut fattas om vilket eller vilka koncept som kan anses starka nog att utvecklas vidare.

(18)

4 Referensram

Denna del ger en kort genomgång om information som finns tillgänglig i ämnet. Kapitlet utgör den bas med fakta som stödjer efterföljande delar av rapporten och är ett viktigt kapitel för att förstå möjligheter och begränsningar för nutida applikationer såväl som framtida.

4.1 Tandkoppling

Den manövrerbara kopplingen mellan kugghjul och axlar som återfinns i manuella växellådor hos tyngre fordon, maskiner och racingfordon, kallas tandkoppling. Tandkopplingen [9] består av kugghjul med raka kuggar och en hylsa, där kopplingshylsan kan axialförskjutas för att skifta mellan okopplad och inkopplad funktion. För att underlätta ingrepp är tänderna försedda med lämpliga avfasningar.

Styrningen av kopplingshylsorna sköts via växelväljare, skiftaxlar och skiftgafflar. Växlingsförfarandet hos en manuell transmission med kopplingshylsor sker genom att föraren med hjälp av växelväljaren anger vilken växel som skall sättas i ingrepp. Via mekaniska länkar väljs den skiftaxel som ska förflyttas, på vilken det finns en skiftgaffel som håller fast en kopplingshylsa. Kopplingshylsan har invändiga kuggtänder och sitter runt ett kugghjul. Skiftgaffeln påverkar kopplingshylsan så att den förflyttas axiellt och sammankopplar två kugghjul, ett kopplat till ingående axel och ett till växelns kugghjul. När hylsan sammankopplar de två kugghjulen låses den specifika växelns rotation till ingående axel och bestämmer utgående axels hastighet. I dagsläget har i många fall elektronik ersatt länken mellan växelväljare och växellåda, dvs. shift-by-wire med pneumatiska, hydrauliska eller elektriska ställdon som genomför arbetet för växeländringen.

4.2 System för aktuering

Det finns som tidigare nämnts ett hydraulsystem i Volvos ramstyrda dumprar, men det finns anledning att se över hur dessa hydraulsystem används.

Inom bilindustrin finns det exempel på hur man kan använda elmotorer för kontroll av kopplingshylsor, dels som motor till hydraulpumpar och dels som direktkraft till växlingsmekanismen. Att styra växlingsmekanismen med elmotorer kommer inte ge några större effektbesparingar på hydraulsystemet, men öppnar möjligheter för bättre styrning och framtida teknik.

Elmotorer är intressant1 för exempelvis rotering och roterande positionering. Detta då hydraulmotorer som utför roterande rörelse medför högre kostnad och

1

(19)

r.

storlek, samt ett större antal ingående komponenter, givare2 och sensorer, för samma precision. Nedan följer en beskrivning av kraftsystem som kan användas till förflyttning av kopplingshylso

4.2.1 Hydraulsystem

Vid hydraulisk effektöverföring utnyttjas flytande ämnens förmåga att överföra kraft [8]. Hydraulik kan delas in i två grupper; hydrostatisk, där en vätska under tryck används för att överföra energi samt hydrodynamisk, där vätskor under rörelse överför energi.

4.2.1.1 Hydraulpump

Hjärtat i hydraulsystemet är pumpen. Den positiva roterande pumpen är vanligt förekommande inom fordonsindustrin, den ger en pulserande volymström och flödet påverkas obetydligt av tryckvariationer i systemet [8]. Positiva pumpar kan delas in i pumpar med konstant deplacement3 och variabel deplacement. Med en pump med variabel deplacement kan volymströmmen ändras vid konstant varvfrekvens genom omställning av deplacement.

Kugghjulspumpar förekommer vanligen i transmissioner och tillhör kategorin positiva roterande pumpar som ger konstant deplacement, reglering av trycket görs med hjälp av ventiler. Verkningsgraden för denna pumptyp är förhållandevis högt och belastar inte systemet i så stor utsträckning att bränsleförbrukningen ökar nämnvärt. Vidare i systemet uppkommer förluster i form av värme, läckage och flöde genom komponenterna.

4.2.1.2 Hydrauliskt ställdon

För att skapa linjära förflyttningar kan hydraulcylindrar användas för att omvandla hydraulisk kraft till mekanisk kraft. Hydrauliska kolvar och cylindrar är generellt sett snabba, kraftfulla och pålitliga och kan även hållas små till storlek och trots det leverera stora krafter. Nackdelen med dessa kan tillskrivas läckage genom komponenter vid förslitning i kolvtätningar, värmeförluster på grund av strömningsmotstånd genom komponenter och ledningar.

Dubbelverkande cylindrar används när både tryck och drag fordras [8]. Detta åstadkoms medhjälp av ventiler, när vätskan pressar på kolvens ena sida dräneras vätskan från kolvens motsatta sida. På så vis fås ett positivt, tryckande slag och ett negativt dragande slag.

Här är det kolvens minusslag det vill säga när kolven rör sig in i cylindern, som får vara dimensionerande samt det som bör nyttjas för ansättning av

2

Att använda givare innebär att hastighet kan mätas och position detekteras vilket bidrar till att växelmekanismen kan kontrolleras till hastighet och position. På så sätt råder inga oklarheter huruvida en kopplingshylsa blivit ansatt eller ej.

3

(20)

kopplingshylsa om hydraulik skall användas. Alternativet kan vara en symetrisk kolv, det vill säga kolvareorna för plus- och minusslag är lika stora.

4.2.1.3 Elektrohydraulik

Det elektrohydrauliska systemet använder samma tryckassisterade teknik som standardsystemet. Istället för att hydraulpumpen drivs av fordonets motor styrs den av en elektrisk motor [13]. Möjlighet ges därmed att variera deplacement genom att ändra hastighet och riktning med elmotorn. Förbränningsmotorn behöver inte belastas för att driva hydraulpumpen tillika behöver pumpen bara köras vid behov. En ackumulator behövs då pumpen står still för att upplagra energi, utjämna tryckstötar och bibehålla konstant tryck i systemet. En transmissionsdriven pump kan behövas, men då enbart för smörjning av växellådan.

4.2.2 Elektromekanik

Ett elektromekaniskt system består av en eller fler elmotorer som med hjälp av mekaniska lösningar, såsom kugg och växelsystem, överför kraft till ställdon. Elmotorerna kan delas upp i två grupper, roterande och linjära.

Inom fordonsindustrin syns idag en trend att ersätta hydraulsystem med elektriska ställdon [16]. Dessa är mindre, renare och erbjuder högre kontrollerbarhet kontra ett komplett hydraulsystem. Elektriska ställdon behöver till skillnad från hydraulik inte generera konstant tryck för att hålla en kopplingshylsa ansatt. Hydraulsystem förbrukar kontinuerligt stora mängder energi till detta, vilket skapar onödiga förluster.

Nackdelar hos elmotorer är relaterade till höga temperaturer då avmagnetisering kan uppstå, med förlorad funktion till följd. Även förhållandet kraft/moment kontra storlek/vikt är generellt dåligt, utan mekanisk lösning för att överföra kraft/moment riskerar storleken på ställdonet bli stor. Nedan beskrivs olika motorer generellt.

4.2.2.1 Roterande motorer

Denna grupp kan delas upp i tre tekniker; borstförsedda, borstlösa och stegmotorer [10]. De motorer som är intressanta i denna studie är framförallt de borstlösa DC-motorerna (BLDC) som kan leverera ett högt moment i förhållande till sin storlek, samt har inbygga givare för återkoppling av hastighet och position. Denna motortyp är tyst, lättkyld och effektiv vad gäller vridmoment. Nackdelen är ett högt pris.4

Vidare finns det stegmotorer som fått sitt namn genom att de verklig tar ett steg i taget, ett roterande steg. Fördelen med denna motor är hög precision, som nackdel kan priset nämnas samt om den överbelastas, blockeras eller utsätts för

4

(21)

stötbelastning, kan det leda till att den desynkroniseras (tappar steg), tappar kraft och stannar. Se bilaga 7 för mer information.

Motortyp Momentdensitet Stöttålighet Verkningsgrad Kostnad

Borstlös DC Hög Hög Hög Hög

Stegmotor Medel Låg Medel Medel

Tabell 1 Jämförelse mellan roterande motorer 4.2.2.2 Elektrisk linjärt ställdon

Linjära motorer använder magnetkraft för att skapa linjär rörelse. Tekniken är snabb och kan göras kraftfull men ställdonen blir ännu väldigt stora och dyra5, tekniken är dock under utveckling [16].

Företaget Ricardo UK har som ett led i att förbättra effektiviteten och minska kostnaden för automatiserade växellådor i bilar, sökt alternativ till hydrauliska ställdon. Därav har de utvecklat, byggt och demonstrerat ett kraftfullt linjärt ställdon. Målet var att skapa en tillräcklig stor axial kraft ca: 1000 N baserat på en 12V linjär motor. Prototypen ger nära 1000 N kraft vid 60 A strömstyrka och kan ses i figur 5 [22].

Figur 5 Linjärt ställdon

Linjärt ställdon av Ricardo Transmissions and Drivelines Product Group Bild från [22]

För nuvarande ligger fokus för Ricardo på att integrera ställdonet i en synkroniserad manuell växellåda samt skapa algoritmer för kontroll av hastighet och kraft för att säkerställa en tillförlitligt och varaktig sammankoppling.

Längd: 100 mm Diameter: 80 mm Max kraft: >1000 N Slaglängd: 16 mm (+- 8 mm) Max hastighet: 3 m/s Ström topp: 60 A Medelenergi per växling: 180 Joule

5

Vid ett besök på Tekniska mässan 17 oktober, 2007 kontaktades företag som saluför elektromagnetiska ställdon, solenoider. Slutsatsen av de samtal som följde var att för efterfrågad kraft ges ställdonet stora dimensioner med ökat spänningsbehov. Därav kommer dessa uppta stort utrymme, särskilt om de ska vara det huvudsakliga ställdonet och vara flera till antalet.

(22)

4.2.2.3 Linjära ställdon, kulskruv

För att skapa en linjärrörelse från en roterande motor används en skruvmekanism, exempelvis kulskruv. Linjära ställdon fungerar på följande sätt, en elektrisk motor roterar en gängstav med en kulskruv som tillåts löpa fritt axiellt utan att rotera, resultatet blir en rörelse och funktion likt en hydraulcylinder. Friktionen mellan mutter och gängstav är liten tack vare kullagret mellan mutter och gänga. Kulorna matas in mellan mutterns och gängstavens gänga via en sluten matarbana. Denna typ av linjärdon används då kraven på repeternoggrannhet och positionerings-noggrannhet är höga [10].

Figur 6 Principskiss för en kulskruv Bild från [10]

4.3 Automatiserad Manuell Transmission

Med automatiserad manuell transmission (AMT) menas en elektroniskt styrd transmission där både koppling och växlingsförfarande sker automatiskt. En mjukvara styr när lämpliga växlingar skall ske och är oftast optimerad mot prestanda eller förbrukning. AMT-bestyckade fordon har vanligtvis en växelväljare vilken ger föraren möjlighet att välja växel, kopplingspedal är oftast ersatt med en elektroniskt styrd koppling.

4.3.1 Volvo I-Shift

Inom Volvokoncernen finns en AMT, I-Shift, som används för lastvagnar och bussar. I-Shift är förenklat en icke-synkroniserad växellåda där koppling och växelmekanism sköts av ett elektroniskt styrt pneumatiskt system. Växellådan används för tågvikter på upp till 60 ton och erbjuder hög komfort och låg bränsleförbrukning. Den helautomatiska växlingen ger kraftavbrott vilket gör att den inte passar för entreprenadfordon som dumprar, därmed är I-Shift inte ett konkret alternativ till Powertronic. Växlingssystemet är intressant och kommer därför att få en närmre genomgång, se kapitel 4.3.3.1.

(23)

Figur 7 Volvo Powertrain I-Shift Bild från [23]

4.3.2 Power-shift

En allt vanligare teknik för att erhålla Power-shift-funktionaliteten och sömlösa växlingar är genom att dela en manuell växellåda i två sektioner, udda och jämn och applicera en koppling till vardera sektion. På så vis erhålles en växellåda med två manövrerbara kopplingar, vilket möjliggör att en växel är i ingrepp samtidigt som nästkommande på förväg kan väljas. Växling sker när den andra kopplingen ansluts samtidigt som den första kopplas ur och medför ett växlingsförlopp som sker med litet till inget kraftavbrott i drivlinan. Denna typ av transmission kallas för Dual eller Double Clutch Transmission (DCT).

4.3.2.1 Dual Clutch Transmission

Inom personbilsindustrin syns en tydlig ökande trend mot denna typ av transmission. Volkswagen group var först ut [20, 18] med sin DQ250 DCT, uppbyggd med en koppling för ojämna växlar (1,3,5) och en andra koppling för jämna växlar (2,4,6). Kopplingarna är sammansatta så att den ena växeluppsättningen sitter på en solid axel som löper på insidan av en ihålig axel. De växellådor som finns på marknaden till dags datum har våta lamellkopplingar likt de kopplingar som återfinns i automatiska växellådor. Volkswagen kommer att under 2008 börja försäljningen av VW Golf med den sju-växlade DQ200 DCT med torra lamellkopplingar. Flertalet tillverkare har anammat trenden och kommer under 2008 släppa personbilar med denna typ av transmission, där bland Volvo S40/V50 [19]. Inom tyngre fordon som lastvagnar och entreprenadfordon har ännu inga reella exempel påträffats.

Figur 8 Principskiss för en DCT Bild från [19]

(24)

4.3.3 Växelmekanismer i liknande applikationer

För att skapa en bild av olika växlingsmekanismer, vad som finns på marknaden samt vad framtiden erbjuder, har en undersökning genomförts. Generella eftersökningar på Internet har blandats med riktad informationsinhämtning via databaser för patent och rapporter, däribland från SAE International. Nedan följer ett sammandrag av detta.

4.3.3.1 Volvo I-Shift

Som tidigare nämnts har Volvo Powertrain en AMT vars växelmekanism har pneumatiska ställdon som styrs elektroniskt. På växellådans ovansida sitter I-Shifts styrbox som sköter alla funktioner i växellådan. Härifrån regleras växellådans skiftgafflar pneumatiskt. Cylindrarna som kontrollerar baslådan har tre positioner t.ex. cylinder (1) har två lägen där kopplingshylsan är ansatt och ett neutralläge.

1

Figur 9 Volvo I-Shifts reglagehus/växlingsmekanism Från internt utbildningsmaterial [24]

I reglagehuset finns ett antal induktiva sensorer för mätning av rotationshastighet på huvud- och mellanaxel. Mätningarna ligger till grund för synkronisering av huvud- och mellanaxel. Synkroniseringen genomförs via en broms på mellanaxeln eller ett litet gaspådrag från motorn.

För att kopplingshylsorna skall hållas säkert i ansatt läge, låses de med hjälp av fjäderbelastade kulor som trycks ned i en försänkning i skiftaxeln. De pneumatiska ställdonen som manövrerar baslådan ger en axiell kraft på 800N vid ansättning och 1350N vid urkoppling av kopplingshylsa.6

6

(25)

4.3.3.2 KAPS Transmissions

Detta är ett koncept som är framtaget till en Subaru-transmission. Växlingen utförs genom en kamtrumma (barrel-cam) [21], det vill säga en roterande trumma med spår som växlingsgaffeln följer. Då trumman roterar följer växelgaffeln spåret den är ansluten till vilket skapar en axiell rörelse. Växlingsgaffeln kan antas ha två till tre lägen, ett då kopplingshylsan är frikopplad och ett till två där den ansätter kopplingshylsan i ingrepp.

Figur 10 Växelvalstrumma Kaps Transmission Från [21]

4.3.3.3 LuK

LuK är ett företag i Schaeffler Group som har specialiserat sig på kopplingar och därtill utvecklat system för automatisering av kopplingar och växelmekanismer. Enligt företaget självt så har var fjärde bil som rullar av produktionslinjerna världen över en koppling från LuK.

Figur 11 LuKs dubbla kamtrummor Från [17]

Under Luk Symposium 2002 [11] beskrivs två växlingssystem med kamtrummor. För att kringgå det sekventiella växlingsförfarande kamtrumman medför, har LuK delat den till två av varandra oberoende trummor. Det ena systemet använder två externa motorer som via en utväxling driver varsin trumma. Det andra systemet, till höger figur 11, är en utveckling av det först nämnda där motorerna är placerade i trumman för att minimera storleken på paketet. Motorerna som används är BLDC-motorer och utväxlingen sker via planetväxlar.

Active Interlock kallar LuK sin senast kända skapelse för styrning av kopplingshylsor i en transmission. Med hjälp av två elmotorer skapas de rörelser som erfordras för val och inkoppling av växel.

(26)

Figur 12 LuK Active Interlock Bild från [17]

Den gröna detaljen i figur 12, kallas shift finger unit, består av ett skiftfinger (shift finger) samt lås och frigöringselement. Det är denna komponent som är kopplad till växelvalsaxeln (shift rails, blå/orange) som i sin tur påverkar kopplingshylsan. Det speciella med Active Interlock är att gapet på växelvalsaxeln är betydligt större i förhållande till skiftfingret. Det stora gapet möjliggör tillbakarörelse av skiftfinger, förflyttning och förvalsengagering av nästkommande kopplingshylsa utan att ansatt växel kopplas ur. Vid förval inom samma växlingskollektiv kopplas ansatt växel ur samtidigt som skiftfingret ansätter nästkommande.

Den nedre motorn, vänster i figur 12, är den som positionerar skiftfingret till rätt växelvalsaxel. Den övre motorn ger erforderlig rotation för skiftfingret att flytta kopplingshylsan med hjälp av växelvalsaxeln. Motorerna som används är av BLDC-typ på 110 W respektive 170 W med inbyggda sensorer som LuK har utvecklat tillsammans med ett icke namngivet företag [17].

4.3.3.4 Ricardo Driveline and Transmission

Ricardo är ett företag som tillhandahåller ingenjörstjänster till bil-, transport- och energiindustrin. De har en avdelning som inriktar sig mot drivlina och transmission, Ricardo Driveline and Transmissions, som bland annat bidragit med en växellåda i utvecklingen av Daimler Chrystler ME4-12. Växlingssystemet [18] som används ses i figur 13 och består av två hydrauliska cylindrar där den ena väljer vilken skiftstång som skall förflyttas genom att pressa ned en sprint i ett spår på skiftstången,medan den andra sköter förflyttningen. Då förflyttningen är genomförd lyfts sprinten upp, skiftstången hålls på plats av en fjäderbelastad kula, varefter växlingsmekanismen kan ansätta nästkommande växel på den andra, frikopplade, sidan av växellådan.

Figur 13 Ricardo "Crane" shift actuator Bild från [18]

(27)

4.3.4 Framtid

Volvo Group ger indikationer på att de ser hybridteknologi som en av de mest lovande och konkurrenskraftiga teknologierna för tunga fordon [25]. Exempelvis anses att anläggningsmaskiner har nytta av elmotorer för att driva fordonens hydraulsystem. Batteriet och dess kapacitet är en avgörande del för hybridlösningar. Volvo Group har här tagit en aktiv roll i utvecklandet av effektiva batterier och driver projekt kring detta.

Inom bilbranschen utvecklas hybridteknologer ständigt där bland annat Toyota tagit fram en bil med elektrisk motor som samspelar med en konventionell förbränningsmotor (Toyota Prius). Ytterligare elektriska applikationer når marknaden allteftersom och är ett område som är i fokus för framtiden. Med införandet av hybridsystem baserat på elektriska tillämpningar behövs generatorer och batterier för att stödja systemet. När detta byggs in i transmissioner betyder det att systemet öppnar för mer elektriska tillämpningar. Exempelvis kan en växelmekanism nyttja ett sådant aktueringssystem för att driva elektriska ställdon [15]. Tankesättet medför att växelmekanismen ej kräver ett eget separat system utan kan anslutas till det befintliga, förutsatt att andra elektriskt drivna applikationer finns i fordonet.

Figur 14 Aktueringssystem

Schematisk beskrivning från LuK över elmotorer i en transmission för aktuering av koppling och växelmekanism samt nyttjande av elektrisk startmotor

(28)

5 Tillämpad lösningsmetodik

Detta kapitel visar hur verktyg och metoder beskrivna i kapitel 3 har tillämpats för att generera och utvärdera koncept. Kapitlet inrymmer även en kort beskrivning till de framtagna koncepten.

5.1 Funktionsanalys

Genom funktionsanalysen har funktionen att ”Möjliggöra repeterbar förflyttning av kopplingshylsa” identifierats som den primära uppgiften som skall utföras (huvudfunktion). Till denna ses ”Tillåta förflyttning”, ”Medge kraftöverföring” samt ”Medge kontroll” som de delfunktioner vilka är direkt nödvändiga att söka lösningar för, för att kunna uppfylla huvudfunktionen.

Med detta är kärnan i arbetet framtagen, en kärna som följer likt en röd tråd i arbetet. För utförligare beskrivning av funktionsanalysen med fler funktionsnivåer samt stödfunktioner hänvisas till bilaga 2.

Figur 15 Funktionsanalys

5.2 QFD

QFD-matrisen användes i arbetet till att försöka matcha krav som identifierats genom informationssökning och samtal med handledare på företaget, mot användbara produktegenskaper/-krav. Målvärden diskuterades fram genom avvägningar och jämförelser dels med avseende på underlag från

(29)

insamlingen och dels i förhållande mot antaganden från författarna. Med anledning av att ingen fysisk tillgång fanns av befintliga växelmekanismer gjordes ingen konkurrentjämförelse då denna skulle bli väldigt subjektiv och icke tillförlitlig.

QFD:n visar att storleken på kraften som erfordras och styrenheten är viktiga för att möjliggöra robusta växlingar. Kraften ska vara tillräckligt stor så att förflyttning av kopplingshylsor sker snabbt och fullständigt, medan styrenheten styr systemet och ser till att signaler fördelas korrekt utan felaktigheter. Vidare ses att kombinationenav ställdon är central för nå ett individuellt växelval.

Egenskaper som storlek på växelmekanismens totala utformning, antal och placering av komponenter samt gränssnitt har alla har betydelse för integrerbarhet i en växellåda. Målvärden för detta eftersöktes men vid närmre diskussion framkom att dessa delar var kompromissbara.7 Se bilaga 3 för QFD-huset.

5.3 Kravspecifikation

Kravspecifikationen har behandlats som ett levande dokument och uppdaterats vid behov under projektets gång och kan studeras närmre i bilaga 4. Grunden för kravspecifikationen genomfördes tidigt i projektet och utgörs av målvärden från QFD, samt genom diskussion med handledare på företaget. Villkoret för arbetet var vid denna tidpunkt ”att förutsättningslöst generera idéer” vilket medförde att det inte fanns några fastslagna ingående krav förutom att kunna förflytta en kopplingshylsa.

Fler krav behövdes för att ordna struktur till arbetet, därav togs krav för marknad, produkt och dokumentation fram. Alla krav är inte definierade utan ses som riktlinjer för att inte låsa arbetet till för snäva ramar. De målvärden som definierats är hämtade från informationsinsamlingen och tolkade för att anpassas för en växelmekanism till tyngre fordon. När väl företagets befintliga lösning blev känd kunde dessa värden bekräftas.8

5.4 Konceptgenerering

Under genomförande av konceptgenereringen framkom en stor mängd idéer. Då antalet blev omfattande och lösningarna likartade slogs besläktade idéer samman till konkreta koncept under en första gallring innan konceptutvärderingen

7

I normalfallet görs prioriteringen funktion/kostnad där det generellt gäller att när saker blir mindre kostar de mer. Därav bör varje fall bedömas individuellt och ej tillsättas begränsade faktorer på förhand (Daniel Jansson).

8

Den befintliga lösningen var okänd från examensarbetets början, detta för att kunna arbeta förutsättningslöst med idéer. Först i mitten av konceptgenereringsfasen presenterades den befintliga lösningen och dess funktionsprincip.

(30)

utfördes. Under denna gallring försvann även lösningar som innehöll synbara brister, detta för att inte ödsla tid och kraft på koncept utan framtid. Nedan följer en närmare beskrivning på de koncept som ansågs bärande. Koncepten bygger på en transmission med icke-synkroniserade kopplingshylsor där en central synkronisering av kugghjul sker. En mer utförlig beskrivning av konceptgenereringsförloppet finns i bilaga 5.

5.4.1 KONCEPT 1

Detta koncept möjliggör individuella växelval, skiftgafflarna (1) positioneras med hjälp av två elmotorer. En motor (2) styr valet av gaffel genom en roterande rörelse. Den andra motorn (3) sätter kopplingshylsan i ingrepp via skiftgaffel och länkarm (4).

3

Figur 16 Abstraktion av koncept 1

5.4.1.1 Konstruktion

Länkarmarna ligger försänkta i spår på skiftaxeln (5) som har skiftgafflar monterade på sig. Skiftaxeln är solid och kan roteras med en elmotor via planetväxel. Länkarmarna greppar skiftgafflarna i invändigt spår, de är ej fixerade mot skiftgafflar utan kan löpa i spåren när axeln roteras. Länkarmarna har kuggtänder i ena änden för underordnad styrning från kugghjul.

5.4.1.2 Växelförfarande

Genom planetväxeln (6) roterar ena elmotorn skiftaxeln så att vald länkarm placeras mot det övre kugghjulet. Den andra elmotorn styr kugghjulet och skjuter iväg länkarmen så att greppad skiftgaffel förflyttas linjärt. Positioner säkras genom en låsring (7). Individuella växelval är möjligt.

5.4.1.3 Övrigt

• Elmotorer utrustas med optisk pulsgivare för återkoppling av hastighet och position till styrenhet, gäller främst den motor som väljer länkarm.

• Sensor för detektering av position av kopplingshylsa kan tillkomma. • Kraftbehov kan ge elmotorerna stora dimensioner.

Vy: Sida & framifrån

2 1 4 5 6 7

(31)

5.4.2 KONCEPT 2

Konceptet utgör den vanligaste lösningen för individuell styrning av skiftgaffel (1), där skiftaxeln (2) även utgör hydraulkolven. Till konstruktionen kan det sägas att den är beprövad, robust, snabb och stark.

1

2

Vy: Ovan & framifrån

Figur 17 Abstraktion av Koncept 2

Varje skiftgaffel är direkt monterad på ett hydrauliskt ställdon. Hydraulcylindern bör vara en dubbelverkande cylinder med plus- och minusslag. I hydraulkolven monteras en linjär positionsgivare för att säkerställa position av kopplingshylsan. Fjäderbelastade kulor använda för låsning av position, något som medför att cylindern inte behöver vara konstant trycksatt. Likt I-Shifts växlingsmekanism kan ställdonen vara parallellt monterade i ett paket, detta för att underlätta montering och produktionsaspekter.

Läge 1 Läge 2 Läge 3

Rörelseriktning underlag

Figur 18 Principskiss fjäderbelastade kulor

Med en signal från styrenheten öppnas en magnetventil till den hydraulcylinder som tillhör vald växel. Hydraulkolven pressar således skiftgaffeln axiellt och kopplingshylsan tvingas i ingrepp och ansätter växel. Elektroniskt styrda magnetventiler utgör reglage och medger såväl individuellt växelval som säkring av positioner.

5.4.2.3 Övrigt

• Detektering av position för kopplingshylsor kan skötas genom mjukvara som styr magnetventiler.

(32)

• Beroende på utformningen av hydraulcylinder kan olika funktioner uppnås, till exempel antalet lägen, och variabel kraft.

• Konceptet möjliggör användning av elektriskt driven hydraulpump. 5.4.3 KONCEPT 3

Denna lösning har sitt ursprung hos LuKs Active Interlock-mekanism som finns beskriven i kapitel 4.3.3.3. Då det finns kopplingar till andra kända patenterade lösningar finns frågetecken om patentintrång uppstå. Konceptet bygger på en kamaxel (1) kopplad till en elektrisk motor (2) som när den roterar tvingar en kopplingshylsa i ingrepp via en länkarmsförsedd (3) skiftgaffel (4). Lösningen ger möjlighet till individuella växelval såvida två enheter används, en för udda respektive jämna växlar.

4

5

1

2

3

Länkarmar är sammanfogade med skiftgafflar vilka är monterade på en fast inspänd axel (5). Länkarmarna är kopplade till en kamaxel som tvingas följa kammen.

En elektrisk motor roterar kamaxeln vilken i sin tur stöter i länkarmarna och ger en linjär förflyttning av skiftgafflarna. Används endast en kamaxel för samtliga växlar blir växelvalet sekventiellt där position automatiskt säkras genom att elmotor ej roterar.

5.4.3.3 Övrigt

• Elmotorerna bör utrustas med optisk pulsgivare för återkoppling av hastighet och position till styrenhet.

• När växelvalet blir sekventiellt går det ej att hoppa över växlar med följden att tiden per växling riskerar att bli längre.

(33)

5.4.4 KONCEPT 4

En traditionell typ av mekanisk styranordning är kammekanismen. Den kan utformas så att den ger precis den acceleration, hastighet och position till en slid som krävs i en viss tillämpning. Dess stora fördel är att den kan utformas så att den klarar mycket höga hastigheter och dynamiska belastningar. Detta koncept använder sig av just en sådan lösning.

Skiftgafflar (1) är monterade på en fast inspänd axel (2). På sidan av varje skiftgaffeln finns ett snedställt följspår i vilket det hydrauliska ställdonets (3) kraft verkar. Vinkeln på följspåret kan varieras för att uppnå maximal styrning av skiftgaffelns axiella rörelse. Fjädrar (4) används för att hjälpa till vid skiftgaffelns tillbakagång, huvuduppgiften är att hålla den kvar i neutral position.

Styrsignalen aktiverar den hydraulcylinder som trycker ned kolven. Samtidigt som kolven pressas nedåt tvingas skiftgaffel, tack vare det snedställda följspåret, att glida axielt och fjädern pressas ihop. När ny växel skall engageras pressas hydraulkolven uppåt, skiftgaffeln tvingas åter av kolvrörelsen som assisterade av fjädern till neutral position, samtidigt ansätts en annan gaffel en kopplingshylsa i ingrepp. Elektroniskt styrda magnetventiler utgör reglage för hydrauliken

5.4.4.3 Övrigt

5.4.5 KONCEPT 5

Med en blandning av hävarmar och hydraulcylindrar (1) skall ingreppet av kopplingshylsor säkerställas i detta koncept. Individuella växlingar möjliggörs genom separat styrning av ställdonen.

1 2

3 4

(34)

Skiftgafflar (2) är fritt monterade på en fast axel (3). En hävarm fungerar som skiftfinger och trycker ovanifrån mot en kant på respektive skiftgaffel. För återgång och låsning av skiftgafflarna i neutral position används fjädrar (4). Hydraulik används för förflyttning.

Styrsignalen aktiverar den hydrauliskacylindern trycker skiftfingret mot fasningen på den skiftgaffel som motsvarar vald växel. Gaffeln förflyttas linjärt i axelns riktning och fjäder pressas ihop. Magnetventilen stänger hydraulcylindern som förblir trycksatt. När ny växel ansätts släpps trycket från skiftfingret (hydrauliken regleras om) och fjädern pressar tillbaka gaffel till neutral position samtidigt som ett annat skiftfinger ansätter annan skiftgaffel. Elektroniskt styrda magnetventiler utgör reglage och medger såväl individuellt växelval som säkring av positioner.

5.4.5.3 Övrigt

5.4.6 KONCEPT 6

Med detta koncept eftersträvas en mycket kompakt utformning där ställdonet i så stor utsträckning som möjligt ska kunna inrymmas i skiftaxeln (1). Ett ställdon avses för varje skiftgaffel, vilket innebär att ett individuellt växelval är fullt möjligt.

Skiftaxeln är fix och solid samt har ett spår som möjliggör inplacering av ställdon. Skiftgafflar (2) är monterade på axeln och kan vara flera per axel.

Vy: Sida & framifrån Vy: Sida & framifrån

4 3 2 3 1 2

(35)

Elmotor (3) förflyttar vald skiftgaffel linjärt via kulskruv.Varje elmotor kan styras individuellt vilket möjliggör såväl individuellt växelval som säkring av position.

5.4.6.3 Övrigt

• Kraftbehov kan ge elmotorerna stora dimensioner.

• Om elmotorerna dimensioneras upp kan konstruktionen behöva ändras.

5.4.7 KONCEPT 7

För att utföra växelval utnyttjas ett mekaniskt länkage via kugghjul och kulskruv som överför kraft från ställdon till skiftgafflar (1). Likt övriga koncept medges individuellt växelval, i detta fall helt genom roterande rörelser.

5

Skiftgafflar är monterade på en fix solid axel (2) och flyttas linjärt. Gafflarna har ett spår på ovansida som tillåter ingrepp från ställdon. Ett skiftfinger (3) styrs via elmotor (4) med kulskruv samt vippbar U-profil (5).

En elektrisk motor med kulskruv positionerar skiftfingret till vald skiftgaffel, U-profilen vippar fingret (genom kugghjul och elmotor (6)) så att det når ingrepp i skiftgaffel. Elmotorn med kulskruv utför förflyttning av vald skiftgaffel. Individuellt växelval är möjligt.

5.4.7.3 Övrigt

• Elmotorerna har/utrustas med optisk pulsgivare för återkoppling av hastighet och position till styrenhet.

• Sensorer för detektering av position för kopplingshylsor kan tillkomma. • Kraftbehov kan ge elmotorerna stora dimensioner.

• Spärrkroppar för säkring av position kan tillkomma.

1 2

3

6

(36)

5.4.8 KONCEPT 8

Detta koncept tar en blick bakåt och hämtar sitt ursprung i den traditionella manuella växellådan med dess växelväljare som förs i ett H-mönster för val av växel. En elektrisk motor (1) sköter positioneringen av skiftfingret (2) med hjälp av en kulskruv och en andra motor (3) utför i- och urkoppling av kopplingshylsorna med hjälp av en hävarm, för att förstärka kraften. Konceptet är tänkt att monteras till ett paket för att placeras i växellådan från dess ovansida. Antalet länkarmar (4) i paketet kan varieras för att passa given applikation.

2

3

7

1

4

6

5

Skiftgafflar (5) är monterade på en fixerad solid axel (6) och tillåts glida axiellt vid aktuering. Den enskilda skiftgaffelns angreppspunkt utgörs av en försänkning på gaffelns ovansida, däri vilar länkarmen. Länkarmarna ligger inuti en separat enhet (7) som greppar skiftgafflar ovanifrån. I varje länkarms ena ände finns ett gap där ställdonet kan påverka länkarmen. Ett skiftfinger möjliggör förflyttningen av kopplingshylsan. Två elektriska motorer används, den ena för positionering den andra för kraftansättning.

Via en signal från styrenheten aktiveras den positionerande motorn som i sidled ändrar läget på skiftfingret till vald länkarm. Den övre motorn ger, när positionen säkerställts, erforderlig axiell kraft via en hävarm som trycker iväg vald länkarm med tillhörande skiftgaffel och kopplingshylsan sätts i ingrepp.

5.4.8.3 Övrigt

• Kraftbehov kan ge elmotorerna stora dimensioner. • Spärrkroppar för säkring av position kan tillkomma. • Konceptet erbjuder en modulär utformning.

(37)

5.4.9 KONCEPT 9 .9 KONCEPT 9

För att utnyttja kamtrummans fulla potential kan den delas upp i två delar, en för udda växlar (1) och en jämna (2). På detta sätt kan power-shift funktionalitet uppnås, samtidigt ges transmissionen möjlighet att ansätta just den växel som är optimal för rådande omständigheter utan att stega igenom växlar och förlora tid. För att utnyttja kamtrummans fulla potential kan den delas upp i två delar, en för udda växlar (1) och en jämna (2). På detta sätt kan power-shift funktionalitet uppnås, samtidigt ges transmissionen möjlighet att ansätta just den växel som är optimal för rådande omständigheter utan att stega igenom växlar och förlora tid.

1

4

Skiftgafflar (3) är monterade på en fix solid axel (4) och förflyttas linjärt. Länkarmar (5) är sammanfogade med skiftgafflarna och styrs av två trummor. Trummorna har noggrant avvägda spår dit länkarmarna är kopplade, rotation av respektive trumma ändrar position av länkarmar samt skiftgafflar.

Elmotorer (6,7) styr trummornas rotation. För att genomföra växelval roteras en trumma ett bestämt antal grader och därigenom kommer en länkarm med skiftgaffel att förflyttas. Med två trummor möjliggörs ett individuellt växelval samtidigt som trummornas spår automatiskt säkrar skiftgafflarnas positioner.

5.4.9.3 Övrigt

• Kraftbehov kan ge elmotorerna stora dimensioner.

5.5 Konceptutvärdering i fyra steg

För att kunna välja ut de bästa koncepten användes en utvärderingsmetod i fyra steg som på ett strukturerat sätt ger möjlighet till bedömning av varje koncept. De första tre stegen handlar om en enskild bedömning av varje koncept, medan det sista steget utgör en matris där alla kvarvarande koncept viktas mot varandra med ett befintligt koncept från företaget som gemensam referens. Se bilaga 6 för konceptutvärdering.

5.5.1 Bedömning av lämplighet

I det första steget handlar bedömningen om att värdera hur kunden accepterar idén samt om marknadsaspekter som risk för patentintrång och tillgången/behovet av ny teknik. Som avslutning vägs en känslomässig faktor in med mjuka värderingar

2 3

6

5