SÖDERTÄLJE, SVERIGE 2017
Rasskydd till nästa
generations Volvo dumper
Ett produktutvecklingsarbete i
samarbete med Volvo Construction Equipment AB i Braås
Johannes Hanna Ashour Anwer
SKOLAN FÖR INDUSTRIELL TEKNIK OCH MANAGEMENT INSTITUTIONEN FÖR TILLÄMPAD MASKINTEKNIK
Rasskydd till nästa generations Volvo dumper
av
Johannes Hanna Ashour Anwer
Examensarbete TMT 2017:34 KTH Industriell teknik och management
Tillämpad maskinteknik Mariekällgatan 3, 151 81 Södertälje
Examensarbete TMT 2017:34
Rasskydd till nästa generations Volvo dumper
Johannes Hanna Ashour Anwer
Godkänt
2017-06-16
Examinator KTH
Mark W. Lange
Handledare KTH
Mark W. Lange
Uppdragsgivare
Volvo Construction Equipment AB
Företagskontakt/handledare
Jan Löfgren
Sammanfattning
Volvo Construction Equipment AB I Braås ingår i Volvo Group koncernen som bland annat tillverkar, monterar och utvecklar ramstyrda dumprar samt utvecklar hjullastare. Idag är de en av världens ledande leverantörer för anläggningsmaskiner och framförallt ramstyrda dumprar.
Det har diskuterats under ett antal olika tillfällen om dagens rasskydd som sitter på dagens ramstyrda dumprar är tillräckligt utvecklat för att tillfredsställa kundernas önskemål och uppfylla sin funktion till fullo. Det anses vara tungt, inte följa designen på dumpern och att
förutsättningarna för att deformationer uppstår är väldigt höga. Rasskyddet finns för att skydda känsliga komponenter för yttre påverkan av fallande föremål.
Dagens rasskydd är sammankopplad med ett skydd för glasrutan bakom hytten och ett beslut togs att avgränsa detta skydd från uppgiften.
Målet är att ta fram ett vinnande koncept på ett rasskydd där konceptet anses lösa eller förhindra de problem som presenterats ovan och kan även tänkas användas som en inspirationskälla inför framtagningen av Volvos egna slutgiltiga lösning.
Under en tio-veckors period har detta arbete utförts på plats hos uppdragsgivaren på Volvo Construction Equipment i Braås.
Genom ett antal olika produktutvecklingsmetoder kunde sju koncept modelleras i ett datorstött designverktyg som heter Creo och efter konceptutvärderingen kvarstod det vinnande konceptet.
Dessutom kunde energiupptagningen av det vinnande konceptet visualiseras med hjälp av beräkningsanalyser utförda i ett annat datorstött designverktyg som heter CATIA V5.
Nyckelord
Produktutveckling, DCPD
Spill guard for next generation Volvo articulated haulers
Johannes Hanna Ashour Anwer
Approved
2017-06-16
Examiner KTH
Mark W. Lange
Supervisor KTH
Mark W. Lange
Commissioner
Volvo Construction Equipment AB
Contact person at company
Jan Löfgren
Abstract
Volvo Construction Equipment AB at Braås is part of the Volvo Group, which manufactures, assembles and develops articulated haulers and develops wheel loaders. They are one of the world-leading supplier of construction equipment and above all articulated haulers.
It has been discussed on several occasions if the spill guard that is used today on the articulated haulers is sufficiently developed to satisfy customers' wishes and fulfil its function. It is
considered to be heavy, that the design does not follow the chassis and the conditions for deformation are high. The main function of the spill guard is to protect sensitive components against falling objects.
The spill guard is integrated with a steel grid protection for the rear window of the cabin, this problem has been delimited from the task.
The target of this task is to obtain a winning concept of a spill guard that solves or prevents the problems mentioned above and that also could be used as an inspiration for the development of Volvo’s own final concept.
This task has been implemented during a period of ten weeks at Volvo Construction Equipment at Braås.
By using different product development methods, seven different concepts could be obtained in a computer aided design tool called Creo. After the concept evaluation step the winning concept was remaining. Additionally, the energy absorption simulation of the winning concept was obtained by using another computer aided design tool named CATIA V5.
Key-words
Product development, DCPD
1 (70)
Förord
Denna rapport är ett examensarbete på 15 högskolepoäng, utfört som ett avslutande moment på högskoleingenjörsprogrammet i maskinteknik med inriktning mot innovation & design vid Kungliga Tekniska Högskolan i Södertälje.
Arbetet har genomförts av Johannes Hanna och Ashour Anwer på Volvo Construction Equipment i Braås, under vårterminen 2017.
Under arbetets gång har vi haft mycket stöd från vår handledare Jan Löfgren och vi vill tacka honom för inspirerande projektmöten och goda idéer. Vi vill rikta vår tacksamhet mot vår uppdragsgivare Kristina Tejler för hennes stöd längs med vägen och även AnnSofie Gustafsson för att ha gjort det möjligt för oss att låna en lägenhet i Braås. Vi vill även tacka hela landskapet på exteriör avdelningen för de som har bidragit till detta examensarbete. Sist men inte minst vill vi tacka vår examinator Mark W. Lange för hans rådgivning.
2 (70)
3 (70)
Ordlista
Boundary Blend En funktion i Creo som används för att skapa en flersektionsyta.
CAD Computer aided design – Datorstödd design.
CATIA En CAD-programvara.
Creo En CAD-programvara.
Edgefillet En funktion i CATIA som används för att runda till modellens kanter.
Extrude En funktion i Creo som är baserad på en tvådimensionell skiss. Den extruderar linjärt en skiss vinkelrät mot
skissplanet för att skapa eller ta bort material.
FMEA Feleffektsanalys (Failure Mode Effect Analysis).
FEM/FEA Finita elementmetoden/Finita elementanalys.
GPS Generetic part structural analysis (strukturanalys). En modul i CATIA för att kunna göra FEM-analyser.
Hole En funktion i Creo som används för att skapa runda hål i modellen.
Intersect En funktion i Creo som används för att göra två skisser i olika plan till en skiss.
Join En funktion i CATIA som liknar Creo:s Merge.
Merge En funktion i Creo som används för att slå ihop två kroppar till en kropp.
Multi-sections surface En funktion i CATIA som i stort sett liknar Creo:s Boundary Blend.
Pd Probability of Detection (Sannolikheten för upptäckande).
Po Probability of Occurrence (Sannolikheten för förekomst).
Poissons konstant En materialkonstant som anger sättet ett material reagerar till tryck- och dragkrafter.
Punch En funktion i Creo vid användning av Sheet Metal där man kan göra ett hål i en vägg med hjälp av en specifik skiss.
RIM Reaction Injection Molding - Reaktion injektionsgjutning Round En funktion i Creo som liknar CATIA:s Edgefillet.
4 (70)
RPN Risk Priority Number (Risk prioriteringsnummer)
= 𝑃𝑜 × 𝑆 × 𝑃𝑑
Sheet Metal En modul i Creo där man skapar tunna väggar, ex. plåt.
Sweep En funktion i Creo som kan skapa en solid eller en yta genom att svepa en profil längs en bana.
S Severity (Kännbarheten)
Thicken En funktion i Creo som används för att ändra en yta till en solid
Thicksurface En funktion i CATIA som liknar Creo:s Thicken.
TR Technical Requirement – Tekniska Krav
Trim En funktion i Creo och CATIA som används för att kapa bort en överlappande yta av två korsade ytor.
5 (70)
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 7
1.1 Presentation av Volvo Construction Equipment AB Braås ... 7
1.2 Syfte ... 7
1.3 Bakgrund ... 7
1.4 Problembeskrivning ... 7
1.5 Mål ... 8
1.5.1 Delmål ... 8
1.6 Avgränsningar ... 8
1.7 Lösningsmetoder ... 8
1.8 Kravspecifikation ... 9
1.8.1 Volvos kärnvärden: ... 9
1.8.2 Tekniska krav: ... 10
1.8.3 Materialkrav: ... 10
1.8.4 Tidskrav: ... 10
1.9 Disposition ... 10
2 Teoretiskreferensram ... 11
2.1 Teoretiska metoder ... 11
2.1.1 Moodboard (på engelskan mood board) ... 11
2.1.2 TRIZ ... 11
2.1.3 Benchmarking ... 11
2.1.4 Idégenerering ... 11
2.1.5 Konceptpoängsättning ...12
2.1.6 FEA ...12
2.1.7 Design FMEA ...12
2.2 DCPD (DICYCLOPENTADIENE) ... 14
2.3 Deformationer ... 15
2.4 Dagens rasskydd ... 17
3 Genomförande ...19
3.1 Moodboard ... 19
3.2 TRIZ ... 19
3.3 Benchmarking ... 19
3.4 Idégenerering ... 19
3.5 Analysering av två olika geometrier ... 20
3.6 CAD-modellering ... 21
3.7 Konceptpoängsättning ... 22
3.8 Modellering av vinnande koncept ... 23
3.9 FEA ... 24
3.9.1 Antaganden ... 24
3.9.2 Genomförande ... 24
3.10 FMEA ... 27
4 Resultat & Analys ... 29
4.1 Val av material ... 29
4.2 Moodboard ... 29
4.3 TRIZ ... 29
4.4 Benchmarking ... 30
4.5 Idégenerering ... 30
4.6 Analysering av två olika geometrier ... 34
4.7 Konceptframtagning ... 36
4.7.1 Koncept A1... 36
4.7.2 Koncept A2 ... 37
4.7.3 Koncept A3 ... 38
6 (70)
4.7.4 Koncept B ... 39
4.7.5 Koncept C ... 40
4.7.6 Koncept D1 ... 40
4.7.7 Koncept D2 ... 41
4.8 Konceptpoängsättning ... 41
4.9 Modellering av vinnande koncept ... 43
4.10 FEA ... 45
4.10.1 Randvillkor 1 ... 45
4.10.2 Randvillkor 2 ... 50
4.11 FMEA ... 54
4.12 Jämförelse mellan dagens rasskydd och det vinnande konceptet ... 55
5 Slutsats & rekommendationer ...57
Referenser ...61
Elektroniska källor ... 61
Litteratur... 61
Muntliga källor... 62
Figurkällor ... 62
Appendix ... 63
A1 Tillverkningsmetod för DCPD (RIM) ... 64
A2 Telene datablad ... 65
A3 Moodboard... 66
A4 TRIZ ... 67
A5 Benchmarking ... 68
A6 Konceptpoängsättning ... 69
A7 FMEA ... 70
7 (70)
1 Inledning
1.1 Presentation av Volvo Construction Equipment AB Braås
Volvo Construction Equipment AB i Braås (hädanefter Volvo CE) ingår i Volvo Group koncernen. Volvo CE i Braås tillverkar, monterar och utvecklar ramstyrda dumprar samt utvecklar hjullastare. Regionalt finns Volvo CE även i Arvika, Hallsberg och Eskilstuna där även Volvo CE grundades i mitten på 1800-talet. Idag är Volvo CE en av världens ledande leverantörer av anläggningsmaskiner.
År 1955 byggdes fabriken i Braås av bröderna Lihnell som idag har blivit en del av Volvo CE. Världens första ramstyrda dumper (DR631) tillverkades i Braås år 1966 och DR860 tillverkades året därpå tillsammans med efterföljaren DR861, dessa såldes över hela världen och blev en stor succé. (Volvo Construction Equipment, 2017).
1.2 Syfte
Detta arbete är utfört för uppdragsgivaren på Volvo CE i uppdrag om att utveckla dagens rasskydd som sitter på de ramstyrda dumprarna till nästa generations Volvo dumprar. Rasskyddet finns för att skydda känsliga komponenter för yttre påverkan av fallande föremål.
1.3 Bakgrund
Vid tidigare generationers Volvo dumprar har det inte funnits några tydliga kravspecifikationer för rasskyddet, detta beror på att de som har arbetat med utvecklingen alltid har grundat sig på egna erfarenheter och hur det har sett ut innan.
Några ingående diskussioner om hur eller varför rasskyddet ser ut som det gör idag har inte gjorts, däremot har det baserats på de tidigare rasskydden. På grund av detta togs beslutet att inte bli begränsad av de krav som ställs i kravspecifikationen och istället se kravspecifikationen som riktlinjer för rasskyddet då kraven kan komma att ändras i framtiden.
DCPD är en kemisk beteckning för en plast som används av Volvo CE för olika exteriöra komponenter och är en väl beprövad plast som klarar hårda förhållanden.
Plasten tillhör en grupp så kallade högpresterande plaster med mycket goda mekaniska och termiska egenskaper. Då uppdragsgivaren har en del erfarenheter av detta plastmaterial och att det i dagsläget finns vissa komponenter på dumpern som består av DCPD. Dess goda slagseghet anses vara avgörande för materialvalet inför det nya rasskyddet. [1]
1.4 Problembeskrivning
Rasskyddet har idag fått en del kritik för sitt utseende. Det anses inte följa designformspråket utifrån chassit. Konstruktionen är fokuserad på dess huvudfunktion, att skydda de känsliga komponenter som finns bakom hytten snarare
8 (70)
än dess design och utseende. Detta har medfört diskussioner kring nästa generations ramstyrda Volvo dumprar, där det har ifrågasatts om rasskyddet är tillräckligt utvecklat för att uppfylla det estetiska önskemålet.
Eftersom dagens rasskydd består av plåt medför det problem vid yttre påverkan. Då plåten deformeras lätt när ett föremål angriper den. Att kunna hitta en form och ett material som absorberar energi vid en yttre påfrestning utan att plastiskt deformera sig är idealet.
Ett annat problem som anses finnas med dagens rasskydd är dess vikt. Den väger cirka 34 kg, en viktreducering skulle vara önskvärt. [1]
1.5 Mål
Huvudmålet med detta projekt är att ta fram ett vinnande koncept på ett rasskydd inför nästa generations Volvo dumprar där konceptet kan tänkas användas som en inspirationskälla inför framtagningen av Volvos egna slutgiltiga lösning. Med inspirationskälla ingår att konceptet ska innehålla en visualisering av hur en form upptar energin från ett fallande föremål, där detta koncept består av DCPD. Det vinnande konceptet ska representera den design och funktion som anses förhindra de brister och förbättra det som presenterats i problembeskrivningen samt kravspecifikationen.
1.5.1 Delmål
• Skapa minst sex olika koncept på rasskyddet med hjälp av CAD-modeller i Creo Parametric.
• Skapa det vinnande konceptet på rasskyddet med hjälp av en CAD-modell i CATIA V5.
• Göra FEM-beräkningar på det vinnande konceptet med hjälp av CATIA V5 för att simulera en yttre påverkan på rasskyddet.
• Tillverka en 3D utskrift för att visualisera rasskyddet.
1.6 Avgränsningar
• Bortse från dagens dimensioner (1200 x 700 mm) på rasskydd vid modelleringen.
• Att ta fram ett koncept på ett skydd för bakrutan ingår inte i detta projekt.
1.7 Lösningsmetoder
Valda lösningsmetoder:
• Teoretiska metoder:
o TRIZ, kommer användas för att analysera nuvarande rasskydd och vilka problem som finns kopplade till huvudfunktionen.
9 (70)
o Moodboard, för en inspirationskälla till konceptgenereringen.
o Benchmarking, för att studera konkurrenters produkter.
o Idégenerering för konceptframtagning.
o Konceptpoängsättning, för att utvärdera de olika koncepten mot viktade krav.
o FMEA, för att analysera vilka fel som kan uppstå på det vinnande konceptet.
• Övriga metoder:
o Volvos egna databas (Corporate Standard Database), för att undvika material från Volvos svarta och gråa lista.
o
Smarteam (modell och dokumentdatabasen), för att hämta ut CAD- modeller på dagens rasskydd och hela dumpern.o PTC Creo 3.0, för modellering av koncepten.
o 3DS CATIA V5, för att skapa den vinnande modellen samt att utföra FEM-beräkningar
o Elektroniska källor på internet, för att hitta information om olika teoretiska metoder.
o Litteratur böcker, för att hitta information om olika teoretiska metoder.
• Icke valda lösningsmetoder:
o PUGH-matris, eftersom dagens lösning inte kunde ställas som referens på grund av att en större analys och beräkning krävdes och i brist av tid valdes denna metod bort.
o CubePro trio (3D-skrivare), på grund av tekniska problem med 3D- skrivaren.
1.8 Kravspecifikation
De krav som ställts på rasskyddet är tagna utifrån diskussioner med handledare, medarbetare från samma avdelning och dessutom från kravspecifikationer för andra exteriöra komponenter där DCPD använts, så kallade TR. I dessa TR har det ingått vilka tekniska krav en viss komponent ska uppfylla och därefter har flera tester kopplade till kraven utförts för att bekräfta uppfyllanden av kraven.
Tidigare nämnt var det tänkt att dessa krav skulle utgöra en riktlinje för framtagningen av de olika koncepten på rasskyddet snarare än strikta krav då nästa generation dumpers placering av alla komponenter är inte bestämt vilket kan leda till olika beslut om vilka krav rasskyddet ska uppfylla.
1.8.1 Volvos kärnvärden:
• Säkerhet
• Kvalité
• Miljö
Volvos kärnvärden är inga direkta krav, utan aspekter man bör ha i åtanke när ett arbete sker i samband med en förbättring av något befintligt eller något nytt.
10 (70)
1.8.2 Tekniska krav:
• Rasskyddet ska tåla en stöt från en sten på minst 40 kg släppt från 1 meters höjd.
• Ett gränssnitt för rasskyddet med följande dimensioner: 1000 x 500 mm.
• Formen på rasskyddet ska vara utformat så att den klarar av att stöta ifrån sig ett fallande föremål.
• Rasskyddet ska vara demonterbart.
1.8.3 Materialkrav:
• Lufttemperaturtålighet från -40C till 90C
• Materialet ska vara UV-strålningsresistent.
• Materialet får inte brinna eller sprida elden över en yta med en hastighet över 80 mm/minut.
• Får inte ingå i Volvos svarta eller gråa lista enligt Volvo STD 100–0002 och Volvo STD 100–0003. (Förbjudna material respektive oönskade)
1.8.4 Tidskrav:
Tiden som finns tillgänglig för detta projekt är en 10-veckors period, senast den 2a juni 2017 ska projektet vara färdigt.
1.9 Disposition
För att läsaren ska få en bättre helhetsbild av denna rapport tas de ingående kapitlen upp för att förklara vad dessa innehåller och vad som redogörs.
1. Inledning: Det inledande kapitlet börjar med en beskrivning av Volvo CE i Braås. Därefter beskrivs bakgrunden, problembeskrivningen, målen, avgränsningarna för att ge en förståelse för detta arbete. Slutligen tas lösningsmetoderna och kravspecifikationen upp.
2. Teori: Här beskrivs den teori som är tänkt att användas under genomförandefasen och analysdelen. Kapitlets teoretiska metoder inleds med att beskriva moodboard och avslutas med FMEA. Därefter presenteras DCPD- plasten, hur material deformerar sig och slutligen dagens rasskydd.
3. Genomförande: I detta kapitel förklaras det stegvisa genomförandet av metodiken.
4. Resultat & Analys: Projektets resultat utifrån de bearbetade metoderna presenteras och analysering kring varje metod med utgångspunkt från teorin.
5. Slutsats & Rekommendationer: Här presenteras resultatet av arbetet, målformuleringarna besvaras och kapitlet avslutas med de rekommenderade åtgärder företaget kan ta hänsyn till.
11 (70)
2 Teoretiskreferensram
2.1 Teoretiska metoder
2.1.1 Moodboard (på engelskan mood board)
Det allra första steget i ett produktutvecklingsprojekt är att exempelvis skapa en moodboard. Syftet med en moodboard är att samla in kreativt material till ett projekt som ska utföras, det ger även beställaren av projektet en bild av hur teamet har tänkt att utföra projektet innan onödiga missförstånd uppstår. En moodboard kan innehålla olika material och inspirationskällor, beroende på vilket projekt som utförs och vilka målen är. Några exempel på vad en moodboard kan innehålla är: färger, former, ljus, typografi, bilder som inspirerar en idé, etc. (522 Productions, u.å.)
2.1.2 TRIZ
TRIZ är en rysk metod som betyder teori för innovativ problemlösning. Denna metod används vid behov av identifiering av fysiska verkningssätt för att lösa tekniska problem. Principen i TRIZ går ut på att identifiera en anmärkning som är underförstådd i ett problem. Ett av verktygen i TRIZ är en 39 X 39 matris där varje cell motsvarar en speciell konflikt mellan två olika egenskaper. I varje cell i matrisen rekommenderas upp till fyra fysiska principer för att kunna lösa konflikten. I TRIZ finns det 40 grundläggande principer. Denna metod kan vara användbar vid konceptgenerering även om hela TRIZ-metoden inte används. (Ulrich och Eppinger 2014, 182)
2.1.3 Benchmarking
Inför konceptgenereringsfasen brukar en extern sökning av liknande eller befintliga produkter med antingen liknande eller samma funktion att undersökas, detta kallas för benchmarking. Med hjälp av konkurrenternas liknande produkter och lösningar kan slutsatser dras om dessa lösningar har löst ett problem som finns i dagsläget hos ett företag, informationen om konkurrenternas styrkor och svagheter kan spela en stor roll när man arbetar fram något nytt. (Ulrich och Eppinger 2014, 178)
2.1.4 Idégenerering
Det finns olika sätt att generera fram idéer, en metod som är intressant är den så kallade brainstorming-metoden. Syftet med brainstorming är att finna nya idéer och utveckla ett kreativt tänkande. (Svenska folkskolans vänner r.f., 2017)
Då man utnyttjar personlig kunskap tillsammans med kunskap inom ett team för att generera idéer på olika koncept kallas detta för en intern sökning. Det är på detta sätt brainstormingen går till, med internt menas att idéerna som kommer från teamet är kunskap som dessa medlemmar redan besitter. Ibland upptäcks att potentiellt användbar information från någons minne kan anpassas till den givna uppgiften.
(Ulrich och Eppinger 2014, 179)
För att förbättra både den individuella sökningen och sökningen inom gruppen finns det fyra riktlinjer som kan tillämpas. (Ulrich och Eppinger 2014, 179 – 180). Följande riktlinjer är citerade utifrån ovannämnd källhänvisning.
12 (70)
1. ”Skjuta fram beslutet… Eftersom de flesta besluten i våra dagliga liv endast påverkar oss i några få minuter eller timmar är vi vana att fatta snabba beslut.
När det gäller konceptgenerering för produktutveckling är det helt annorlunda… För att nå framgång är det viktigt att skjuta upp utvärdering de dagar eller veckor som krävs för att generera många alternativ…”
2. ”Generera många idéer. De flesta experter anser att ju fler idéer ett team genererar, ju större sannolikhet är det att man utforskar hela lösningsrymden…
Dessutom stimuleras varje idé till andra idéer. Ett stort antal idéer innebär alltså att ännu fler idéer stimuleras.”
3. ”Välkomna idéer som verkar omöjliga… Ju mer en omöjlig en idé verkar vara, ju mer vidgar detta gränserna i lösningsrymden och uppmuntrar teamet att tänka på gränserna av vad som är möjligt. Därför är omöjliga idéer värdefulla och bör uppmuntras.”
4. ”Använda grafisk och fysisk media… Text och verbalt språk är mycket ineffektiva verktyg för att beskriva fysiska enheter. Oavsett om man arbetar i grupp eller individuellt bör det finnas gott om stora ytor att göra skisser på…”
2.1.5 Konceptpoängsättning
Denna metod syftar sig till att få en tydlig urskiljning mellan olika koncept baserat på ökad noggrannhet mellan koncepten. Genom att vikta kriteriers betydelse gentemot olika koncept fås en ökad noggrannhet. Slutligen erhålls en summa av poäng vid varje koncept som avgör skillnaderna i uppfyllanden av de olika kriterierna. Därefter blir det betydligt enklare att välja koncept som ska arbetas vidare med. (Ulrich och Eppinger 2014, 209)
2.1.6 FEA
I en FEA skapas geometrin för den kropp som ska analyseras av ett CAD-program.
För att inte gå in på djupet med hur de matematiska beräkningarna fungerar bakom en FEA beskrivs den förenklat genom följande steg: En CAD-modell som representerar endast en förenklad modell av verkligheten skapas i ett CAD-program.
Denna modell får olika randvillkor eller begräsningar som den måste tillfredsställa för att nå lösningen. Programmet delar upp den kropp som ska analyseras med hjälp av så kallade tetraeder eller avancerade hexagoner beroende på hur komplex kroppen är och dessa kallas för finita element, detta gör att ett rutnät skapas där en förenkling av problemet är uppbyggt. Detta rutnät består av noder och element där programmet utför beräkningar från nod till nod. Ansatta fysikaliska krafter gör att analysen kan genomföras och sedan visa resultatet utifrån bland annat maximal deformation, spänning och töjningsenergi som påverkar kroppen. (Toogood Roger 2012, 2-1 – 2-5) 2.1.7 Design FMEA
Redan i början av 1940-talet började USA:s militär använda en FMEA för att identifiera olika risker, konsekvenser och sannolikheten av att en produkt eller process som inte uppfyller sin funktion. Efter att detta verktyg ansågs användbart började fler industrier så småningom utveckla sina egna FMEA metoder, till exempel inom flyg- och bilbranschen. Idag används olika FMEA metoder och standardiseringar av metoden hos flera olika industrier, bland annat Ford och Volvo CE.
13 (70)
Ford har en hel handbok om hur man går till väga för att utföra FMEA enligt deras principer och Volvo CE har utfört en mall som ingår numera i deras egna företagsstandard.
Syftet med en FMEA är att kunna identifiera alla möjliga felorsaker som kan uppstå i en design-, tillverknings- eller monteringsprocess och dessutom de felorsaker som kan uppstå hos en produkt.
Tillvägagångssättet är liknande hos de flesta företagen dock har de anpassat metoderna till deras egna verksamheter. Här beskrivs en generell metod:
1. Samla ihop ett team med olika erfarenheter och kunskaper om processen, produkten eller service- och kundbehovet. De ingående funktionerna brukar vara: Design, kvalité, tillverkning, underhåll, inköp, testning, tillförlitlighet, försäljning och kundservice.
2. Bestämma sig för innehållet (skopet) av den FMEA som ska utföras. Är det exempelvis en koncept-, system-, design-, process- eller service-FMEA. För att bestämma sig för innehållet och för att alla gruppmedlemmar ska förstå samma sak kan en flödeskarta användas som hjälpmedel.
3. Slutligen ifylls all den information som kan identifieras i FMEA-tabellen som ställs upp.
De kolumner som kan användas visas under kapitel 3 där en exempelmall ställts upp och som kommer att användas efter framtagningen av det vinnande konceptet.
Det intressanta med en FMEA är oftast vilket RPN varje feltyp får, eftersom RPN räknas ut genom att ta (S) * (Po) * (Pd) fås en siffra på hur högt prioriterat feltypen bör vara. I detta fall är det maximala RPN = 125 (5*5*5). Förutom RPN brukar den kritiska risken räknas ut genom att ta S * Pd, detta på grund av en hög kännbarhet i kombination med ett högt sannolika inträffande är mycket allvarligare än RPN. Detta betyder även att exempelvis en feltyp som har 50 i RPN och en annan har 40, behöver detta inte automatiskt betyda att den som har 50 är det högst prioriterade då den kritiska risken inte behöver vara stor. (Tague 2005, refererad i ASQ, 2017)
14 (70)
2.2 DCPD (DICYCLOPENTADIENE)
Denna polymer tillhör gruppen härdplaster och de egenskaper som kännetecknar härdplaster är bland annat flexibel design, väldigt goda mekaniska egenskaper och goda egenskaper för ytbehandling. Trots att denna plast grupperar sig med härdplaster görs stora liknelser med avancerade termoplaster, på grund av dess goda egenskaper. Det finns några olika leverantörer för DCPD i dagsläget, en känd leverantör och varumärke för denna plast är Telene. DCPD beskrivs som ett material med mycket goda mekaniska och termiska egenskaper. Några nyckelegenskaper som beskrivs hos Telene är följande: (Osborne Industries inc., 2017), (Telene Brochyr, u.å.)
• Mycket god styvhet och slagseghet även vid en lufttemperatur på minus 40C.
• Mycket god värmebeständighet (ca 120C)
• God dimensionering av materialet.
• Mycket god kemikalieresistens både i starka baser och syror.
• Låg densitet.
• Hög isolering av elektricitet.
• Enkel att bearbeta, exempelvis borra hål.
• Mycket god färgvidhäftning.
• Mycket korrosionsbeständig.
• God flamtålighet.
Under A1 i appendix förklaras den enda tillverkningsmetoden för DCPD, vilket gör den speciell i sitt slag.
Figuren nedan visar var DCPD används i dagsläget av Volvo CE på exteriöra komponenter.
Figur 1:Framsidan av en A45G dumper. De gula kåporna samt den gråa motorhuven är tillverkade av DCPD.
Smarteam, Volvo CE 2017.
15 (70)
2.3 Deformationer
Vid belastning påverkas olika material på olika sätt. Det finns material som elastiskt deformerar sig då de belastas under sträckgränsen och återgår till sitt ursprungliga läge då de slutar att belastas. Exempel på denna typ av material är keramer, styva plaster och fiberarmerade plaster. En annan typ av material är de som inte återgår till sina ursprungliga lägen eftersom att de belastas över sin sträckgräns. Detta kallas för att materialet plastiskt deformeras, exempel på detta är sega plaster och metaller.
När en plastisk deformation har skett i ett material betyder det att materialet har nått sin sträckgräns, och när materialet utsätts för så stor belastning att det spricker betyder det att materialet har nått sin brottgräns. Vanligtvis är deformationen proportionell mot kraften under den första delen av sträckningen därefter minskar den när materialets proportionalitetsgräns har nåtts.
Spänning-töjningsdiagram för olika material kan studeras för att veta hur de deformeras vid belastning.
Nedan visas en spänning-töjningsdiagram för de vanligaste konstruktionsstålen. Ur diagrammet kan det utläsas vid vilken punkt materialet plastiskt deformeras, detta sker när kurvan viker av efter övre sträckgränsen. Det kan även utläsas när materialet spricker, detta sker efter brottgränsen. (Viebke 2003, 8 – 10)
För de material som inte deformeras innan brott talas det om ett sprött brott. I ett
spänning-töjningsdiagram för en styv plast som visas i diagrammet nedan syns det att materialet inte deformeras innan brott och kurvan viker inte av så mycket innan brott.
Figur 2: Schematisk spännings-töjningsdiagram för stål, Lars Viebke 2003, Sidan 9.
16 (70)
I diagrammet visas även ett exempel för en seg plast (streckad kurva). Denna kurva liknar i stort sett kurvan för mjukt stål, den stora skillnaden är att sega plaster saknar proportionalitetsgräns. (Viebke 2003, 8 – 10)
Figur 3: Schematisk spännings-töjningsdiagram för styv plast respektive seg plast, Lars Viebke 2003, Sidan 9.
17 (70)
2.4 Dagens rasskydd
Dagens rasskydd som sitter på Volvo dumprar består av en plåtkonstruktion och en rörkonstruktion som används som en grund både till rasskyddet och skyddet till bakrutan. Sammanlagt väger plåt- och rörkonstruktionen runt 34 kg.
Rörkonstruktionen utgör hela stödstrukturen för rasskyddet och är hyttmonterad med hjälp av fyra skruvförband (se figur 6). Rasskyddet är monterad på den med hjälp av två skruvförband och två gångjärn som används för att göra plåtkonstruktionen öppningsbar. Rasskyddet tillsammans med bakrutan och rörkonstruktionen består av tre moduler som sammankopplas med varandra. Som tidigare nämnt är rasskyddets huvudfunktion att skydda de känsliga komponenter lokaliserade under rasskyddet.
Figur 5: Rasskydd monterat på rörkonstruktion. Smarteam, Volvo CE 2017.
Figur 4: Rasskydd av plåt. Smarteam, Volvo CE 2017.
Figur 6: Infästningspunkter. Smarteam, Volvo CE 2017.
Figur 7: Rörkonstruktion. Smarteam, Volvo CE 2017.
18 (70)
Figuren nedan illustrerar hur dagens rasskydd är fastmonterat på dumpern.
Figur 8: Lokalisering av dagens rasskydd. Smarteam, Volvo CE 2017.
19 (70)
3 Genomförande
3.1 Moodboard
Genom att fått ta del av dagens Volvo dumprar, visuellt och genom att fått lära känna företagets grunder och arbetssätt gjordes därefter en moodboard. Inspiration kom förutom det som observerats av själva dumpern också från olika idéer om hur lösningen är tänkt att tillämpas på dagens rasskydd.
3.2 TRIZ
Vid genomförandet av TRIZ var utgångspunkten den information som finns tillhanda om dagens rasskydd både av handledare och verklig modell. Ett gemensamt beslut med handledare togs om vad som ska skyddas under rasskyddet och dessa komponenter var:
• Hydrauliktank
• Hydraulikkomponenter
• Oljetank
• Luftfilter
• Luftackumulatorer
Därefter skapades en TRIZ-karta med hjälp av Microsoft Powerpoint för att bland annat kunna se vilka komponenter som påverkas av olika miljöer och händelser.
3.3 Benchmarking
Då benchmarkingen utfördes gjordes en kort undersökning av vilka företag som konkurrerar med Volvo CE i dagsläget. Genom att handledaren kunde berätta vilka företag som konkurrerar utifrån de som syns tydligt på marknaden och de företags produkter som observerats i närheten av Stockholmsområdet kunde därmed de konkurrerande företagen identifieras.
3.4 Idégenerering
Tillvägagångssättet för idégenereringen gjordes genom att skissa på flera idéer för utformningen av koncepten, med hänsyn till den information som tillhandahölls av handledaren. Detta finns beskrivet under problembeskrivning och bakgrunden under inledningskapitlet.
Individuellt gjordes olika skisser på koncept som senare blev koncept A1 – A3, utgångspunkten kom från dagens produkt och även utifrån den benchmarking som gjordes i ett tidigare skede. Inspirationen kom bland annat från den moodboard och TRIZ-karta som gjordes.
20 (70)
Teamet tillsammans med handledaren utförde olika skisser på koncept som senare blev koncept B, C, D1 – D2. Utgångspunkten var att bolla med idéer och handledarens erfarenheter vilket gjorde att hänsyn utifrån ett tillverkningsperspektiv togs bland annat med.
3.5 Analysering av två olika geometrier
Innan CAD-modellering kunde genomföras, gjordes en liten analysering av två olika former för att visa hur energiupptagningen skulle se ut. Detta för att få en förståelse för hur två olika geometrier beter sig vid en yttre påfrestning.
De två olika geometrier som analyserades var en rektangulär skiva samt en konvexformad skiva med samma dimensioner, godstjocklek, materialegenskaper, randvillkor och lastfall (400 N). Figurerna 9 0ch 10 visar dessa två olika geometrier som analyserats. Analyseringen utfördes i Creo Simulate 3.0 och modelleringen skedde i Creo Parametric 3.0.
Analyseringen utfördes i två steg där första steget var att undersöka den rektangulära skivan och andra steget var att undersöka konvexformade skivan. Spänningen enligt von Mises och förskjutningen togs fram i båda stegen.
Figur 9: Rektangulär skiva som visar det uppställda lastfallet och randvillkorsättningen.
Figur 10.: Konvexformad skiva som visar det uppställda lastfallet och randvillkorsättningen.
21 (70)
3.6 CAD-modellering
Vid modelleringen av de koncept som genererats från idégenereringen krävdes olika modelleringsstrategier. Eftersom kunskapsområdet för PTC Creo är god krävdes inga genomgående fördjupningar i programmet och dess funktioner, utgångspunkten för modelleringen har baserats på tidigare kurser där användningen av Creo har tillämpats. Koncepten A1 – D2 modellerades i Creo 3.0.
Koncept A1 –A 3
Dessa koncept är de koncept som skapats med hjälp av tre olika moduler. Modul 1 är ett horisontellt skydd (rasskydd), modul 2 är rörkonstruktionen och modul 3 är ett vertikalt skydd (omgivande skydd). Modul 1 och modul 3 skapades i sheetmetal medan modul 2 skapades som en solid del. Till skillnad från dagens rasskydd som används är modul 3 annorlunda då modul 3 i dagens konstruktion representerar skydd för bakrutan medan modul 3 för koncept 1 – 3 representerar ett omgivande skydd.
Vid skapandet av modul 1 fanns det två huvudfunktioner i Creo som användes och dessa funktioner var:
• Intersect
• Boundary blend
Vid skapandet av modul 2 fanns det två huvudfunktioner som användes och dessa funktioner var:
• Intersect
• Sweep
Vid skapandet av modul 3 fanns det fyra huvudfunktioner som användes och dessa funktioner var:
• Extrude
• Punch
• Hole
• Round
Koncept B, C, D1 – D2
Dessa koncept är skapade med hjälp av endast en modul, det horisontella skyddet (rasskyddet). Hela modulen för varje koncept skapades i ett enda stycka, som en solid del. Vid skapandet av modul 1 fanns det sju huvudfunktioner som användes och dessa funktioner var:
• Sweep
• Boundary Blend
• Merge
• Thicken
22 (70)
• Hole
• Extrude
• Round
3.7 Konceptpoängsättning
Inför konceptpoängsättningen ställdes sex olika kriterier upp efter en genomgång med handledaren. Kriterierna var följande:
• Vikt
• Pris
• Flexibilitet
• Demonterbarhet
• Funktion
• Utformning
Eftersom konceptpoängsättningsmetoden har viktade krav betygsattes detta enligt följande, där 1 motsvarar lägst prioritet och 5 motsvarar högst prioritet, se tabell 1
Kriterium: Viktning:
Vikt 4
Pris 3
Flexibilitet 3
Demonterbarhet 3
Funktion 5
Utformning 5
Tabell 1: Kriteriernas viktning.
Viktningen av varje krav bestämdes tillsammans med handledare under en genomgång av kriterierna och ingående diskussioner kring valet av dessa kriterier finns under Resultat & Analys kapitlet under konceptpoängsättningsrubriken.
Därefter fick varje koncept tilldelat en siffra (1 – 5) som motsvarar hur pass väl konceptet uppfyller ett visst kriterium, där 1 motsvarar lägst uppfyllnad och 5 högst uppfyllnad. Ett ideal ställdes upp för att jämföra hur pass väl varje koncept är nära idealet, det gjordes genom att ta varje kriteriums viktning multiplicerat med maximal uppfyllnad för varje kriterium.
För pris-kriteriet användes vikten som utgångspunkt, genom att mäta de olika konceptens massa i Creo kunde pris poängsättningen bestämmas samt antalet delar för varje koncept. Det konceptet som var tyngst och hade flest antalet delar fick en 1: a
23 (70)
av en skala (1–5) och vice versa. Tabell 2 på nästa sida visar varje koncepts vikt och antalet delar och tabell 3 visar vikt- och prispoängskalan.
Koncept: Vikt (kg) Antalet delar (st.)
A1 12,5 3
A2 9,20 3
A3 7,99 3
B 3,60 1
C 4,30 1
D1 4,90 1
D2 5,70 1
Tabell 2: Konceptens vikt och antalet delar.
Viktskala (kg) Poängskala (viktning) Poängskala (pris)
0–2,6 5 5
2,7–5,2 4 4
5,3–7,8 3 3
7,9–10,4 2 2
10,5–13 1 1
Tabell 3: Poängskalorna baserat på vikten.
Slutligen räknades ut en totalpoäng för varje koncept genom att ta viktningen för varje kriterium multiplicerat med konceptets uppfyllnad för kriteriet.
3.8 Modellering av vinnande koncept
I det vinnande konceptet som valdes ut för att modelleras i CATIA var följande huvudfunktioner avgörande för konceptets utseende och struktur:
• Multi-section surface
• Trim
• Join
• Thicksurface
• Edgefillet
24 (70)
Dessutom gjordes en liten förändring av det vinnande konceptet i CATIA. En liten rundad kant till framsidan av rasskyddet lades till och detta framgår i figur 1.
3.9 FEA
3.9.1 Antaganden
De antaganden som gjorts för analysen är följande:
1. Approximera en dynamisk analys till en statisk analys för de båda lastfallen.
2. Tyngdaccelerationen för det fallande föremålet är 10 m/s2 vilket ger att massan (m) för det fallande föremålet är 40 kg multiplicerat med den ansatta tyngdaccelerationen (g) blir lika med 400 N som motsvarar den statiska belastningen.
3. Materialet på konceptet är: elastiskt, homogent, linjärt samt isotropiskt.
4. Materialets Poissons konstant är satt till 0,3.
5. Den utbredda lastens yta på konceptet har arean 3 dm2 och är ellips-formad.
3.9.2 Genomförande
Efter att modellen hade skapats med hjälp av CATIA, användes GPS för att genomföra FEM beräkningarna. Innan beräkningarna på konceptet kan genomföras måste materialets egenskaper föras in i programmet. Dessa egenskaper var: E-modul (1870 MPa), densiteten (1030 kg/m3) samt sträckgränsen (43 MPa). Dessa materialegenskaper är hämtade från ett datablad utgivet av Telene och representerar DCPD plasten som används på rasskyddet, se A2 i apendix. Första steget var att bestämma avståndet mellan varje element och för att få bästa möjliga resultatet valdes en längd som var mindre än materialets tjocklek. Detta för att få ett finare rutnät och därmed ett bättre resultat.
Beräkningarna gjordes med två olika randvillkor, randvillkor 1 och randvillkor 2. Där det ena randvillkoret är utfört med fem infästningspunkter enligt figur 11 och det andra randvillkoret utfört med elva infästningspunkter enligt figur 14. Båda randvillkoren utfördes där två olika lastfall påverkade konceptet.
Nästa steg var att bestämma randvillkoren, där fem randvillkor skapades på baksidan av konceptet som motsvarade fem infästningspunkter mot hytten, vilket motsvarar randvillkor 1, se figur 11.
25 (70) Figur 11: Infästningspunkter kring fem hål.
Att lägga till lasten var nästa steg. Två lastfall för randvillkor 1, där ena lastfallet belastades konceptet med en utbredd last som var 400 N och rakt nedåt på en rund yta med arean 0,0294 m2, se figur 10.
Figur 12: Utbredd last på 400 N till vänster, den yta som lasten påverkar rasskyddet till höger.
I det andra lastfallet belastades konceptet med en last på kanten med samma storlek och riktning som föregående lastfall för att kontrollera om konceptet skulle klara av en sådan stor kraft på kanten, se figur 13.
26 (70) Figur 13: Kantlast på högre främre kanten av rasskyddet påverkar med en kraft på 400 N.
Sista steget var att ta fram resultaten, spänningen enligt Von Mises och förskjutningen. Spänningen jämfördes med materialets sträckgräns för att säkerställa att konstruktionen tål den belastade kraften utan att en plastisk deformation sker.
Vidare mot randvillkor 2 ställdes samma scenario upp enligt figur 12 och figur 13, där ena lastfallet är en utbredd last över en area och det andra lastfallet en last som påverkar kanten på framsidan av rasskyddet. Skillnaden mellan randvillkor 1 och randvillkor 2 var som tidigare nämnt att antalet infästningspunkter, se figur 14 nedan.
Figur 14: Infästningspunkter kring elva hål.
27 (70)
3.10 FMEA
Inför denna exempelmall för FMEA under tabell 8 ställdes följande kolumner upp:
Tabell 4: De kolumner som ställts upp på FMEA: n
Po, S och Pd:s skalor förklaras nedan under tabell 5, 6 och 7. Slutligen fylldes FMEA- mallen i och resultatet förklaras ingående under Resultat & Analys kapitlet under FMEA rubriken.
Kolumner:
Funktion Feltyp Feleffekt
S Felorsak
Po Pd RPN
Rekommenderade åtgärder
Kriterier för bedömning av
Probability of occurrence (Po) Skala
Extern sannolikhet för förekomst 1
Låg sannolikhet för förekomst 2
Måttlig sannolikhet för förekomst 3
Hög sannolikhet för förekomst 4
Mycket hög sannolikhet för förekomst 5
Tabell 5: Bedömningskriterierna för Po.
28 (70)
Kriterier för bedömning av Severity (S)
Skala
Ingen märkbar effekt 1
Märkbar effekt 2
Förlorar funktionsduglighet 3
Bryter mot säkerhetsföreskrifter 4
Personskada 5
Tabell 6: Bedömningskriterierna för S.
Kriterier för bedömning av
Probability of detection (Pd) Skala
Fel som alltid kommer att upptäckas 1
Hög sannolikhet för upptäckande 2
Måttlig sannolikhet för upptäckande 3
Låg sannolikhet för upptäckande 4
Fel kommer inte att hittas 5
Tabell 8: Bedömningskriterierna för Pd.
Tabell 7: Exempelmall på FMEA
29 (70)
4 Resultat & Analys
4.1 Val av material
Då bakgrunden presenterades beskrevs att tidigare generations Volvo dumprar inte hade haft några specifika krav på hur rasskyddet skulle utformas. Detta medförde att de krav som ställdes upp i kravspecifikationen var tänkta att användas som en utgångspunkt vid framtagningen av koncepten på rasskydden.
Eftersom huvudmålet med arbetet var att bland annat ta fram ett vinnande koncept tillverkat av DCPD, gjordes en informationsinsamling om materialet ifrån den leverantör Volvo använder i dagsläget (Telene).
Efter diskussioner med handledaren kring materialets användning i dagsläget hos Volvo CE, bekräftades att de ställda materialkraven blivit uppfyllda av DCPD genom de TR som utförts tidigare hos företaget. För att materialet ska få sin UV-skydd lackeras den med en speciell sammansättning av lack från Volvo.
Därefter kunde de materialkrav som var ställda i kravspecifikationen bekräftas uppnådda.
4.2 Moodboard
Av den moodboard som gjorts representerar en del bilder olika sammanhang.
Hjälmen förknippas med slagseghet, dess gula färg och de rundade formerna.
Framkåpan som tillhör dagens Volvo dumper förknippas med dess design och formspråk samt DCPD plasten. Gummibanden förknippas med något elastiskt.
Datorlådan förknippas med instängda och skyddade komponenter i en låda.
Plastbitarna illustrerar olika starka färger också med slagseghet.
Denna moodboard har varit en inspirationskälla som har bidragit med idéer och kreativt tänkande inför konceptframtagningen. Den moodboard som gjorts finns i appendix under rubriken A3.
4.3 TRIZ
För att fastställa nuläget av dagens rasskydd och för att teamet ska kunna upprätta en bättre idégenerering undersöktes sambandet mellan olika komponenter/egenskaper och miljöers påverkan mot en huvudfunktion.
Denna metod gav en övergripande bild av dagens konstruktion samt hur olika faktorer påverkar varandra och huvudfunktionen. Detta var bra för att få en förståelse om hur dagens rasskydd förhåller sig till flera faktorer. Den har även bidragit till att bekräfta den negativa påverkan av vikten på dagens rasskydd. Resultatet av den karta som ställdes upp finns i appendix under rubriken A4.
30 (70)
4.4 Benchmarking
De konkurrerande företagen för Volvo CE är bland annat Caterpillar, Komatsu, John Deere och Bell Equipment. Dessa företags produkter fanns tillgängliga hos respektives hemsidor och varje företags produkter undersöktes med hjälp av de bilder som fanns tillhanda av respektive produkt. Se appendix under rubriken A5 för figurer som visar tre av de ovannämnda konkurrenternas lösningar.
Efter undersökandet av respektive konkurrenters produkter som finns på marknaden gav detta en tydlig bild av hur konkurrenterna löst en del problem. Av alla produkter som observerats kunde en gemensam slutsats dras, att de använder en typ av instängda bockade plåtar eller gjutna plastkåpor för att skydda komponenterna. Detta blev även de bakomliggande idéerna till koncept A1 – A3.
4.5 Idégenerering
Då de olika koncepten på rasskyddet togs fram upptäcktes vid några idéer att ett omgivande skydd under rasskyddet kommer medföra ett mer visuellt tilltalande rasskydd i helhet. Därför består koncept A1 – A3 av tre moduler (rasskydd, omgivande skydd samt rörkonstruktion) medan koncept B, C, D1 – D2 består endast av en modul (rasskydd).
Då koncept A1 – A3 gjordes efter individuella skisser i teamet resulterade detta till att dessa tre koncept fick tre moduler vid modelleringen. Idéerna bakom skisserna kom mestadels från den moodboard och benchmarking som gjordes tidigare. Figur 15 visar de individuella skisserna.
Figur 15; Skisserna som resulterade i skapandet av koncept A1 – A3.
31 (70)
Vidare mot de resterande koncepten (B, C, D1 – D2) gjordes en gemensam idégenerering i teamet tillsammans med handledare. En del frågor om hur och varför en del tekniska lösningar och koncept inte kunde förverkligas besvarades. Detta ledde till att olika tankar om att göra ett koncept på ett rasskydd som endast en enda modul i DCPD. Syftet med detta var för att bland annat minska antalet rörliga delar och samtidigt antalet delar, en tumregel är att fler antalet delar resulterar i dyrare tillverkning. Dessutom skulle ett helt koncept som endast består av en modul i DCPD bli väldigt elastisk. Figurerna nedan och på nästkommande sidor visar resultatet från den gemensamma idégenerering som ledde till koncept B, C, D1 och D2.
Figur 16: Bockat hörn på en kant.
Figur 17: Början på koncept B.
32 (70) Figur 18: Olika idéer om hyttmonterat rasskydd, infästningsmarkeringar osv.
33 (70) Figur 19: Den undre figuren är en vidareutveckling av den övre som senare blev koncept D1 och D2.
34 (70)
4.6 Analysering av två olika geometrier
Resultatet av de två olika skivorna som undersöktes var följande: De maximala spänningarna enligt Von Mises för den rektangulära skivan blev cirka 17 MPa och för den konvexformade skivan cirka 5 MPa och inträffade i mitten av skivorna, vilket är nästan tre gånger mindre. Figurerna 20 och 21 visar spänningskoncentrationerna för de två geometrierna.
Figur 20: Spänningskoncentrationen enligt Von Mises på den rektangulära skivan, inträffar rakt på skivan på cirka 17 MPa.
Figur 21: Spänningskoncentrationen enligt Von Mises på den konvexa skivan, inträffar rakt på skivan på cirka 5 MPa.
35 (70)
Den maximala förskjutningen för den rektangulära skivan blev cirka 9 mm och inträffade precis under lasten och för den konvexa skivan blev förskjutningen cirka 0,3 mm vilket är väldigt stor skillnad. Vid de båda skivorna inträffade de maximala förskjutningarna på mitten av skivorna. Figurerna 22 och 23 visar förskjutningen för de båda geometrierna.
Figur 22: Förskjutningen på den rektangulära skivan.
Figur 23: Förskjutningen på den konvexa skivan.
Efter denna analysering kunde en förståelse fås för de två olika geometrierna.
Resultatet från denna analys ledde till att konceptframtagningen nu kunde inledas.
36 (70)
4.7 Konceptframtagning
4.7.1 Koncept A1
Konceptet består av tre moduler, omgivande skydd, rasskydd och rörkonstruktion.
Rasskyddet är tillverkat av DCPD och rörkonstruktionen av stål, omgivande skydd av plåt.
Figur 24: Koncept A1 med omgivande skydd, rasskydd och rörkonstruktion.
Figur 25: Koncept A1 med rasskydd och rörkonstruktion.
37 (70)
4.7.2 Koncept A2
Konceptet består av tre moduler, omgivande skydd, rasskydd och rörkonstruktion.
Rasskyddet är tillverkat av DCPD och rörkonstruktionen av stål, omgivande skydd av plåt.
Figur 26: Koncept A2 med omgivande skydd, rasskydd och rörkonstruktion.
Figur 27: Koncept A2 med rasskydd och rörkonstruktion.
38 (70)
4.7.3 Koncept A3
Konceptet består av tre moduler, omgivande skydd, rasskydd och rörkonstruktion.
Rasskyddet är tillverkat av DCPD och rörkonstruktionen av stål, omgivande skydd av plåt.
Figur 28: Koncept A3 med omgivande skydd, rasskydd och rörkonstruktion.
Figur 29: Koncept A3 med rasskydd och rörkonstruktion.
39 (70)
4.7.3.1 Koncept A1-A3
Förutom huvudfunktionen har koncept A1-A3 en extra funktion, nämligen att täcka komponenterna med hjälp av ett omgivande skydd. Syftet med detta skydd är i stort sett utseendet, det vill säga att täcka komponenter och slangar som finns bakom hytten.
4.7.4 Koncept B
Det som är speciellt med detta koncept är monteringen. För att kunna montera detta koncept behövs ett horisontellt gränssnitt, exempelvis mot en horisontell yta som kan vara en komponent. Syftet med de ribborna som är placerade på konceptets sidor är för att göra konceptet styvt i dessa områden.
Figur 30: Koncept B, gränssnittsmonterat.
40 (70)
4.7.5 Koncept C
Detta koncept är en enkel hyttmonterad modellering. Nackdelen med detta koncept är att det inte har runda former, vilket kan leda till sämre energiupptagning.
Figur 31: Koncept C, hyttmonterat.
4.7.6 Koncept D1
Detta är en utveckling på koncept C. skillnaden från föregående koncept är de runda formerna som observeras här. Detta koncept har en nackdel som är lutningen, det vill säga konceptet är vågrätt vilket kan leda till att konceptet inte stötar ifrån sig fallande föremål.
Figur 32: Koncept D1, hyttmonterat.
41 (70)
4.7.7 Koncept D2
En utveckling på koncept D1 gav resultatet som syns i figur 33, nämligen koncept D2.
Detta koncept är lutat en aning för att kunna stöta ifrån sig fallande föremål till skillnad från koncept D1. Ett problem med detta koncept såväl som de föregående koncepten är att den framsidan är vass, vilket leder till att höga spänningskoncentrationer kan bildas i detta område.
Figur 33: Koncept D2, hyttmonterat.
4.8 Konceptpoängsättning
Varje koncept fick egna tilldelade poäng för hur pass väl det uppfyller ett visst kriterium och därefter kunde en totalpoäng räknas ut för varje koncept som tidigare nämnt. Det ideala poänget var 115 och de tre koncept som låg närmast detta var koncept B med 97 poäng, koncept D2 med 98 poäng och koncept D1 med 95 poäng.
Efter detta resultat valde teamet tillsammans med handledaren att fortsätta arbeta vidare enbart med det koncept som var starkast, koncept D2. Den konceptpoängsättningsmatris som gjorts med alla konceptens poäng finns i appendix.
För de olika kriterierna som tagits fram fanns en bakomliggande tanke kring varje kriteriums syfte. Dessa var:
1. Vikt.
Ett önskemål från handledaren var att titta på något som är lättare än dagens konstruktion på cirka 34 kg. Vikt är alltid en aspekt som ska tas hänsyn till då ett strävande efter lättare vikt är något som görs ständigt för att få en smidigare lösning.
2. Pris.
Pris är alltid något som tas hänsyn till då ekonomin kan vara en stor avgörande faktor om ett förslag ska förverkligas eller inte. Priset tillsammans med vikten går oftast ihop när en bedömning av hur mycket något ska kosta, där antalet
42 (70)
delar är proportionellt mot vikten (förutsatt materialet som används uppfyller materialkravet).
3. Flexibilitet.
Detta kriterium var också ett önskemål från handledaren, där ett flexibelt koncept menas bland annat möjligheten att eftermontera olika moduler, exempelvis omgivande skydd eller stänkskydd etc.
4. Demonterbarhet.
Att konceptet ska kunna demonteras var viktigt utifrån dagslägets rasskydd, då dagens rasskydd går att demontera och området under rasskyddet utgör en servicepunkt på dumpern. Dock behöver detta inte betyda att nästa generations dumprar behöver ha en servicepunkt vid samma område.
5. Funktion.
Det viktigaste kriteriet var funktionen, att skydda de känsliga komponenterna bakom hytten.
6. Utformning.
Den sista kriteriet var viktigt eftersom att detta avgör till stor del hur konceptet tar upp energin från det fallande föremålet och hur väl frånstötande det blir.
Av den konceptpoängsättningsmatris som gjorts har de olika koncepten kunnat utvärderats med hjälp av viktade kriterier. Viktningen av kriterierna ledde till att en ökad noggrannhet mellan koncepten uppnåddes vilket gjorde bedömning av vilka koncept som skulle arbetas vidare med lättare. På detta sätt har denna metod kunnat ta fram det bäst lämpade konceptet för detta arbete. Konceptpoängsättningsmatrisen finns i appendix under rubriken A6.
43 (70)
4.9 Modellering av vinnande koncept
Det vinnande konceptet som modellerades med hjälp av CATIA var en utveckling av koncept D2 som modellerades med hjälp av Creo och väger cirka 6kg. I figur 34 ses rundare kanter på framsidan till skillnad från koncept D2 (figur 33). Detta var för att åstadkomma mindre spänningskoncentrationer på dessa kanter vid slag.
Det som är speciellt med detta koncept är dess runda former som fungerar som fjädring vilket leder till en bättre energiupptagning.
Detta koncept är modellerat utav en enda del med en godstjocklek på 5 mm och baksidan har en ram som är 30 mm tjock och 30 mm djup, syftet med denna ram är infästningen. Konceptet är hyttmonterat med hjälp av fem skruvförband. Två på varje sida och en i mitten. Detta för att åstadkomma en mer stabil konstruktion, se figur 35.
Figur 34: Vidareutveckling på koncept D2 som blev det vinnande konceptet samt renderat i Keyshot.
Figur 35: Baksidan av vinnande konceptet med fem insättningspunkter.
44 (70)
Efter att FE-analyser utfördes visade sig att maximala spänningen vid en belastning på 400 N på högra främre kanten blev nästan lika stor som materialet sträckgräns.
Detta ledde till att konstruktionen behövde flera infästningspunkter för att kunna åstadkomma en bättre säkerhetsfaktor. Konstruktionen försågs med tre extra infästningspunkter på vardera sida om den mittersta infästningspunkten (figur 37).
Figur 36: Baksidan av vinnande konceptet med elva infästningspunkter.
Figur 37: Vinnande konceptet sett från profil, vinklat nedåt. Hyttmonterat.
45 (70)
4.10 FEA
4.10.1 Randvillkor 1
4.10.1.1 Lastfall 1
Resultatet från det första lastfallet var positivt, den maximala spänningen enligt Von Mises blev cirka 17 MPa vilket är mycket mindre än materialets sträckgräns (43 MPa).
Figur 38 visar konceptets rörelser vid en belastning av den utbredda lasten på 400 N.
Den maximala förskjutningen blev cirka 9,8 mm och den inträffade i främre kanten, se figur 39.
Figur 38: Spänningsfördelning enligt Von Mises vid en belastning på 400 N på en utbredd yta.
Figur 39: Förskjutningen vid en belastning på 400 N på en utbredd yta.
46 (70)
Den maximala spänningen blev cirka 17 MPa och materialets sträckgräns var 43 MPa, vilket var cirka 2,5 gånger mindre än sträckgränsen. Den maximala spänningen inträffade runt den mittersta infästningspunkten som figur 40 visar, detta beror på att spänningen inte fördelas på ett jämnt sätt ifrån den utbredda lasten. Den mittersta infästningspunkten befinner sig närmast den utbredda lasten och därav tar den upp större delen av lastens påverkan. För att kunna förminska spänningskoncentrationen kring denna punkt infördes tre extra infästningspunkter på vardera sida. Detta medför att maximala spänningen fördelas mellan flera infästningspunkter vilket gör att spänningen inte tas upp av endast en infästningspunkt utan av flera.
Anledningen till varför lastfall 1 gjordes igen under randvillkor 2 var för att bekräfta att en jämnare spänningsfördelning kunde uppnås.
Att maximala förskjutningen inträffade på den främre kanten beror på att konceptet är fastinspänt på bakre kanten och friupplagt på främre kanten.
Figur 40: Maximala spänningskoncentrationen enligt Von Mises kring den mittersta infästningspunkten.
47 (70)
4.10.1.2 Lastfall 2
I detta lastfall blev resultatet sämre vilket var väntat, eftersom belastningen inträffade på kanten. Maximala spänningen enligt Von Mises blev cirka 41 MP vilket var nästan lika stort som materialets sträckgräns (43 MPa). Figur 41 visar hur konceptets rörelser vid en belastning av den främre kant-lasten på 400 N. Den maximala förskjutningen blev även mycket större denna gång på cirka 31 mm.
Figur 41: Spänningsfördelning enligt Von Mises vid en belastning på 400 N på den högre främre kanten.
Figur 42: Förskjutningen vid en belastning på 400 N på den högre främre kanten.
