Maskiningenjör 180 hp
Konceptutveckling av ett förband/koppling
I samarbete med Koenigsegg Automotive AB
Maskinteknik 15 hp
Halmstad 2021-06-01
Tobias Frank och Andreas Essunger
Förord
Examensarbetet i maskinteknik på 15 hp har utförts vid akademin för företagande, innovation och hållbarhet vid Högskolan i Halmstad. Studenterna kommer från Maskiningenjörsprogrammet med inriktningen Produktionsutveckling och har under våren 2021 samarbetat med Koenigsegg Automotive AB.
Vi vill börja med att tacka Koenigsegg Automotive AB för den unika chansen och möjligheten till att utföra detta intressanta examensarbete. Ett stort tack ska riktas till vår kontaktperson på företaget, Johan Wretborn för givande och intressanta diskussioner under projektets gång och våra varannan-vecka sessioner.
Vi vill även rikta ett stort tack till vår handledare från Högskolan i Halmstad, Håkan Petersson som har varit till stort stöd under projektets gång med nyttig feedback och värdefull information.
Halmstad, Maj 2021
Tobias Frank & Andreas Essunger
Sammanfattning
Genom att kombinera traditionell förbränningsmotorteknik med elmotorer kan Koenigsegg Automotive AB dra nytta av vissa fördelar som uppkommer med den här typen av konfiguration, fördelar som sedan kan implementeras i deras supersportbil, Regera. Exempel på en fördel är att förbränningsmotorn kan skalas ner, vilket ger en betydande viktbesparing, men ingen vidare kompromiss på den totala effekten som resultat. Ett annat exempel är att elmotorns karaktär av ”direkt kraftöverföring” kan nyttjas vid en häftig acceleration där en konventionell bensinmotor har en viss fördröjning.
Syftet med det här examensarbetet har varit att utveckla ett koncept för ett vridmomentsöverförande förband/koppling. Projektet grundar sig i att dagens förband mellan de olika motorerna tenderar att stämma in på varandras egenfrekvenser, vilket under vissa förhållanden leder till en amplitudökning av vibrationer. Detta ger i sin tur ifrån sig missljud och i förlängningen kan detta leda till att förband utmattas och så småningom leda till brott.
Likväl ska företaget även ha möjligheten till att använda konceptet på andra punkter där de idag också använder sig utav bomförband i bilen.
Arbetet i detta examensarbete har avgränsats till att enbart behandla konceptutvecklingsprocessen av förbandet/kopplingen. Målet med projektet är att det färdiga konceptet skall tillfredsställa samtliga krav bestämda av produktspecifikationen, detta ska realiseras av en konceptutvecklingsprocess, CAD-modellering och en simplare konstruktionsanalys av konceptprototypen. Utifrån litteraturstudien identifierades de främsta orsakerna till problemet.
För att finna ett lämpligt koncept framställdes fem förslag på utformningen av förbandet/kopplingen. De utvalda koncepten genererades med inspiration från referensramen och genereringsprocessen, koncepten illustreras i rapporten med hjälp av modeller i CATIA V5.
Resultatet av examensarbetet blev två teoretiska koncept på ett vridmomentsöverförande förband mellan en axel och ett nav. Koncepten AH1 och AH2 principer är tänkt att inkorporeras i bilmodellen och ge upphov till en funktionsförbättring med mindre buller, en längre livslängd, bättre förhållande mellan styrka/vikt men samtidigt vara lätt att montera/demontera i bilen utan att behöva göra allt för omfattande modifikationer. Målet med konceptutvecklingen är att konceptet skall bemöta samtliga krav bestämda av den slutgiltiga produktspecifikationen.
Abstract
By combining traditional Internal Combustion Engine technology with electric motors, Koenigsegg Automotive AB can benefit from certain advantages that arise from this type of configuration, benefits that can then be implemented in their super sportscar, Regera. Example of an advantage is that the internal combustion engine can be scaled down, which gives a significant weight saving, but no further compromise on the overall effect as a result. Another example is that the electric motor's character of "direct power transmission" is used in a rapid acceleration where a conventional petrol engine has a certain delay.
The purpose of the degree project has been to develop a concept for a torque-transmitting joint/coupling. The project is based on the fact that today's connection between the different motors tend to tune in on each other's natural frequencies, which under certain conditions leads to an amplitude increase in vibrations. This in turn gives off noise and in the long run this can lead to the joints becoming exhausted and eventually break down. Nevertheless, the company must also have the possibility to use the concept at other points where today they also use boom connections in the car.
The work in this degree project has been limited to dealing only with the concept development process of the joint/coupling. The goal of the project is that the finished concept will satisfy all requirements determined by the product specification, this will be realized by a concept development process, CAD modeling and a simpler design analysis of the concept prototype.
Based on the literature study, the main causes of the problem were identified.
To find a suitable concept, five proposals were made for the design of the joint/coupling. The selected concepts were generated with inspiration from the frame of reference and the generation process, the concepts are illustrated in the report using models in CATIA V5.
The result of the thesis was two theoretical concepts on a torque-transmitting joint between a shaft and a hub. The concepts AH1 and AH2 principles are intended to be incorporated in the car model and give rise to a functional improvement with less noise, a longer service life, better strength / weight ratio but at the same time be easy to assemble / disassemble in the car without having to make too extensive modifications. The goal of the concept development is for the concept to meet all requirements determined by the final product specification.
Förkortningar och uttryck
ICE – Internal Combustion Engine KDD – Koenigsegg Direct Drive
HydroCoupe – En avancerad momentomvandlare utvecklad av Koenigsegg Electrical Torque Vectoring – Elektrisk vridmomentsvektor
Regenerative Torque Breaking – Regenerativ vridmomentsbromsning Hypercars – Supersportbilar
Crank rpm – Vevaxelns varvtal CAE – Computer Aided Engineering CAD – Computer Aided Design
CATIA V5 – Computer Aided Threedimensional Interactive Application V5 GSA – Generative Shape Analysis
FEM – Finita Element Metoden
SAE – Society of Automotive Engineers ANSI – American National Standard Institute ASA – Assets Standards Authority
DIN – Deutsches Institut fur Normung NVH – Noise, Vibrations and Harshness Proof of Concept – Koncepttest
FMEA – Failure Mode Effect Analysis
Innehållsförteckning
1. Introduktion ... 1
1.1. Bakgrund ... 1
1.2. Företagspresentation ... 1
1.3. Syfte & Mål ... 2
1.3.1. Problemdefinition ... 2
1.4. Avgränsningar ... 2
2. Teoretisk referensram ... 3
2.1. Produktutveckling med fokus på konceptutveckling ... 3
2.2. CAE ... 3
2.3. Kvantitativt vs. kvalitativt forskning ... 4
2.4. Dagens förband ... 4
2.4.1. Bomförband ... 4
2.5. Axel – nav – förband. ... 5
2.5.1. Bomförband ... 5
2.5.2. Enkla kilförband ... 5
2.5.3. Polygon koppling / liktjocking ... 5
2.6. Axelkopplingar ... 6
2.6.1. Klokoppling ... 6
2.6.2. Pin and bush – koppling ... 6
2.7. Strukturdynamik ... 6
2.7.1 Svängningar ... 6
2.7.2 Resonans i system ... 6
2.7.3. Rotorvibrationer ... 7
2.7.4. Resonansdämpning ... 7
2.8. Effekten genom kopplingen ... 7
2.9. Noise, vibrations, and harshness ... 7
2.9.1 Åtgärder för att minska NVH-problem ... 7
2.10. Termisk expansion ... 8
2.11. Friktion ... 8
2.12. Materialval ... 8
2.13. FMEA ... 9
3. Metod ... 10
3.1. Litteraturstudie ... 10
3.2. Kundbehov ... 10
3.3. Produktspecifikation ... 10
3.4. Konceptgenerering ... 11
3.5. Val av koncept ... 12
3.6. Konceptvalidering ... 12
3.6.1. Prototypplanering ... 13
3.7. Projektavslut ... 13
4. RESULTAT ... 14
4.1. Resultat från litteraturstudie, splines-förband vs förband med polygonprofil ... 14
4.2. Kundbehov ... 14
4.3. Produktspecifikation ... 14
4.4. Konceptgenereringen ... 15
4.5. Utvalda konceptförslag... 16
4.5.1 Koncept AH1 ... 16
4.5.2. Koncept AH2 ... 17
4.5.3. Koncept AA3 ... 17
4.5.4. Koncept AA4 ... 18
4.5.5. Koncept AA5 ... 19
4.6. Val av koncept ... 19
4.7. Konceptvalidering genom simulering i CATIA/GSA ... 20
4.8. Slutgiltiga produktspecificeringen ... 22
4.8.1. Final specifications ... 22
4.8.2. FMEA ... 22
5. Diskussion ... 23
5.1. Resultatdiskussion ... 23
5.2. Rekommendationer för fortsatt arbete ... 24
5.3. Metoddiskussion ... 24
5.4. Sociala, ekonomiska, miljö- och arbetsmiljöaspekter ... 25
5.4.1. Sociala aspekter ... 25
5.4.2. Ekonomiska aspekter ... 25
5.4.3. Miljö- och arbetsmiljöaspekter... 25
6. Slutsatser ... 26
7. Referenser ... 27
Bilagor ... 30
1
I det här kapitlet beskrivs bakgrund, syfte & mål, problemdefinition samt avgränsningar.
1.1. Bakgrund
Hybriddrift av fordon betraktas av vissa som en av de viktigaste möjligheterna för en hållbar framtid av fordonsindustrin, då vi går emot ett mer eldrivet samhälle i allmänhet. En av de största fördelarna med en hybriddriven bil gentemot en traditionell bensin- eller dieselmotor är att den körs renare vilket innebär lägre koldioxidutsläpp, men fortfarande har möjlighet att använda andra energikällor än vad en ren elbil kan använda. Dessutom ges förbränningsmotorn möjlighet att arbeta inom sitt effektivaste område där verkningsgraden är som högst och därav minskar också bränsleförbrukningen.
Det är inte bara den miljömässiga aspekten som främjas då fordon av olika slag går över till en ladd hybrid-drivlina (två eller fler energiomvandlanare kombinerat med olika energilagringssystem), utan rent prestandamässigt gynnas också många fordon, inte minst i sportbilar om det används på rätt sätt. Här finns många fördelar att hämta, till exempel att en kombination av el- och förbränningsmotor gör att den sistnämnda kan skalas ner och resultatet blir en betydande viktbesparing, men ingen vidare kompromiss på den totala effekten behöver göras på grund av elmotorns effekt per kilogram vikt. Dessutom kan elmotorns karaktär av
”direkt kraftöverföring” nyttjas vid en häftig acceleration där en konventionell bensinmotor ofta har en viss effektfördröjning.
Begrepp som electrical torque vectoring och regenerative breaking är också två exempel på termer som förknippas med användandet av el-motorer/generatorer i konstruktionen.
Huvudmålet med torque vectoring är att oberoende variera vridmomentet för varje hjul vilket i teorin ska leda till bättre grepp vid start och en förbättrad väghållning. Regenerative breaking är en energiåtervinningsprincip där fordonets kinetiska energi omvandlas till en energiform som kan användas omedelbart eller lagras i t.ex. ett batteri eller kondensator tills dess att det behövs.
1.2. Företagspresentation
Koenigsegg Automotive AB är ett svenskt företag som har sitt huvudkontor i Ängelholm, Sverige, sedan år 2003. Företaget grundades 1994 av Christian von Koenigsegg endast 22 år gammal, som hade en vision om att både företaget och dess bilar skulle fortsätta att utveckla sig med rekordhastighet. Företaget tillverkar bilar av kategorin supersportbilar (hypercars), där filosofin är fokuserad på prestanda. Varje detalj som monteras i bilarna är noggrant utvalda och tillverkade med högsta möjliga precision. Företaget har ca 224 anställda och omsätter ca 550 miljoner sek (år 2019).
Koenigsegg tillverkar flera olika modeller av deras bilar fast i begränsade upplagor. Dessa bilar har fått många olika utmärkelser genom åren och däribland har de innehållit titeln för världens snabbaste serieproducerade bil. Den första bilen som visades upp för allmänheten år 1996 hette Koenigsegg CC och var ett koncept för att locka potentiella köpare. Den allra senaste modellen släpptes år 2020 och heter Koenigsegg Gemera, den producerar hela 1.27 MW och är dessutom företagets första fyrsitsiga bil. Bilmodellen Koenigsegg Regera släpptes i första version år 2015 och består av en blandning mellan konventionell förbränningsmotorteknik och elektriska komponenter, den första av sitt slag hos företaget. Christian säger i en artikel från (Teknikens Värld, 2015) att Regeran inte är vad andra skulle kalla en hybridbil, eftersom den inte har de traditionella bristerna som kännetecknar dem. Istället är Regeran en ny typ av Koenigsegg, och en ny bil för den delen.
2
1.3. Syfte & Mål
Syftet med det här projektet är att identifiera ett generellt koncept för kopplingstyp mellan två axeländar, alt. mellan axel och ett nav. Projektet grundar sig i problemdefinitionen (se problemdefinition) mellan el- och förbränningsmotorn, men det är inte uteslutet att Koenigsegg Automotive AB ska ha möjlighet att använda konceptkopplingstypen på andra punkter där de idag använder sig utav ett bomförband.
Målet med projektet är att konceptet skall tillfredsställa samtliga krav bestämda av produktspecifikationen, detta ska realiseras av en konceptutvecklingsprocess, CAD- modellering och en simplare konstruktionsanalys av konceptmodellen.
1.3.1. Problemdefinition
Koenigsegg Regera använder sig av en kraftfull twin-turbo V8 förbränningsmotor med tre elektriska elmotorer och ett batteripaket. Företaget kallar lösningen KDD (Koenigsegg Direct Drive), vilket är ett patenterat system där deras HydraCoup också ingår. KDD eliminerar behovet av en traditionell växellåda och förser bakaxeln med kraft, vilket minimerar effektförluster. Två utav elmotorerna sitter monterade på bakaxeln och den tredje sitter monterad på förbränningsmotorns vevaxel. I och med att Regeran enbart har ”en växel” och en slutlig utväxling på 2.73:1 kan helt enkelt inte enbart ICE accelerera bilen från start. Därmed arbetar ICEn och elmotorerna tillsammans upp till 3500 crank rpm och förser bakhjulen med 3500 Nm och vevaxeln med 1000 Nm av vridmoment. Efter att varvtalet passerat 3500 crank rpm minskas effekttillförseln av elmotorerna och ICE bistår med vridmoment upp till ca 8000 crank rpm. Totalt sett producerar motorerna en kombinerad effekt av 1500 hp och 2000 Nm av vridmoment.
Ett utav problemen Koenigsegg Automotive AB specifikt upplever idag är att förbandet mellan elmotorn och vevaxeln tenderar till att stämma in på varandras egenfrekvenser, vilket under vissa förhållanden leder till en amplitudökning (medsvängning) av vibrationer. Detta ger i sin tur ifrån sig missljud och i förlängningen kan det leda till att förband utmattas och går sönder.
Nuvarande typ är ett s.k. bomförband som preciseras i referensramen. Det ska tillägas att det är inte enbart det här förbandet som ligger till grund för konceptutvecklingen av en ny typ av koppling. I enighet med syftet vill Koenigsegg Automotive AB att projektet resulterar i en förbättrad princip för kraftöverföring mellan två axeländar och/eller en axel – nav – konstruktion. Utgångspunkten för projektet kommer i viss mån vara i dagens bomförband, men projektet kommer även grundas i principerna för existerande maskinelement. Kritiska delar att ta hänsyn till i projektet kommer bl.a. vara hur krafterna överförs, materialval, värmeutvidgning, resonanstillstånd, friktion och utmattning.
1.4. Avgränsningar
Projektet kommer enbart att behandla konceptutvecklingsprocessen av kopplingstypen. För att förtydliga kommer projektet inte behandla övriga detaljer som inte ingår ”mellan axeländarna alt. axeln och navet”. Frekvenser och pulser från ICEn eller elmotor behandlas ej, då informationen är konfidentiell, det samma gäller de flesta typer av teknisk data angående bilen.
Beräkningar i projektet kommer göras med information som finns att tillgå på företagets hemsida och i viss mån uppskattade värden från projektgruppen. Dessa beräkningar kommer göras med hjälp av CATIA’s arbetsbänk Generative Structural Analysis under statiska villkor, eftersom inte är intresserade av några mer djupgående dynamiska beräkningar på konceptet.
3
2. Teoretisk referensram
Den teoretiska referensramen behandlar relevant litteratur och teoretisk bakgrund. I den här delen beskrivs tidigare forskning och annan publicerad litteratur inom det aktuella området.
2.1. Produktutveckling med fokus på konceptutveckling
En produkt är någonting som säljs av ett företag och handlas av en kund, där produktutveckling är ett samlingsbegrepp för de aktiviteter som fodras för att skapa produkten. Aktiviteterna sträcker sig allt från att tolka marknadsbehovet till att faktisk producera, sälja och leverera produkten i slutändan. Viktiga begrepp och faktorer när man arbetar med produktutveckling är produktkvalitet, produktkostnad, utvecklingstid, utvecklingskostnad och utvecklingsförmåga (Karl.T Ulrich, 2016). Alla dessa begrepp relaterar i sin tur till företagets förmåga att bli vinstdrivande och bestämmer till viss del hur framgångsrikt företaget blir på marknaden (Kalpana J. Chaturvedi, 2000).
Konceptutveckling av en produkt görs efter att marknadsbehovet är undersökt och produktplaneringen är definierad. Då kan nästa steg vara att skapa ett produktkoncept, en konceptuell, fysik eller matematisk modell av den ungefärliga slutprodukten. I början av konceptframtagningsprocessen är det viktigt att funktioner av den nya produkten bestäms, vad produkten kommer göra och hur den agerar under användning. Funktionernas syfte är att ge en klar målbild över vad som slutligen ska säljas och hur produkten kommer fungera, och dessa målbilder ska produkten eller systemet efterleva när processen är avslutad (Setti, Junior, &
Estorilio, 2021). Det här är en mycket kritisk del i produktutvecklingsprocessen och innefattar bl.a. idégenerering, utveckling och generering av koncept samt validering av dessa koncept (Shih-Wen Hsiao, 2004). Arbetet främjas ofta av att integrera innovations- och kreativitetsökande verktyg, så som Brainstorming och Mindmaps.
Brainstorming, går ut på att man i grupp ska komma på idéer utan att döma varandra. En aktivitet som forskningen har bevisat fungera väldigt väl i såväl grupp som individuellt. (Singh, 1998). Mindmaps handlar om att associationer spelar en avgörande roll i de flesta mentala funktioner i hjärnan, idén är att ett flertal associationer kombinerat med varandra ska ge upphov till nya idéer och förslag på koncept. Associationer är en effektiv strategi för att generera idéer (Tony Buzan, 2006). Idag finns det ett antal metoder och modeller för hela eller delar av produktutvecklingsprocessen och några exempel är: Engineering Design (Beitz, 1995), Engineering Design: The Conceptual Stage (French, 1971), Princip- och Primärkonstruktion (Olsson F. , 1995) och Product Design and Development (Karl.T Ulrich, 2016).
2.2. CAE
Computer Aided Engineering, är ett begrepp som innefattar en mängd datorstödda hjälpmedel för simulering, validering och optimering av produkter och processer. Ett känt begrepp inom CAE är Computer Aided Design (CAD), vilket ger konstruktören möjlighet att skapa, modifiera, analyser och optimera olika typer av konstruktioner med hjälp av ett datorprogram (Shafiee, o.a., 2020). Computer Aided Threedimensional Interactive Application V5 (CATIA V5) är en programvara skapad av Dassault Aviation i början 1980-talet. Programmet används av flera olika typer av företag och industrier där man kan skapa grundläggande ritningar men också 3D visualiseringar. CATIA V5 är en multiplattform med olika arbetsbänkar för olika behov. En utav dessa arbetsbänkar heter Generative Structural Analysis (GSA) och är en numerisk och matematisk beräkning av olika finita element för konstruktionsanalys av en modell, också känt som FEM. (3DS CATIA, 2021)
4
Finita elementmetoden teoretiserades i början av 1900-talet men först i och med framväxten av moderna datorer och bättre processorkraft blev metoden praktisk. FEM har en tvärvetenskaplig ansats som används inom bl.a. fysikaliska-, elektriska-, och hållfasthetsproblem. Metoden karakteriseras av att man delar upp verkligheten i små och enkla geometriska element, s.k. finita element. Dessa element är förbundna i olika punkter, eller noder som är placerade i elementets hörn. Idén är att man ska använda tillståndet i noderna för att beskriva beteendet hos elementet.
Finita elementmetoden är en generell matematisk och numerisk metod för att hitta approximativa lösningar (Nilsson, 2021).
2.3. Kvantitativt vs. kvalitativt forskning
Forskning kan delas in i två huvudkategorier, kvantitativ- och kvalitativ forskning. Simplifierat kan man säga att den kvantitativa forskningen ger resultat i form av siffror, konkret data, händelser (när och hur ofta), ålder och andra saker som är möjliga att räkna på. Här används ofta enkätundersökningar, frågeformulär, experiment och intervjuer med strikta svar. Forskaren har redan en klar bild över vad som efterfrågas och vad denne vill undersöka.
Den kvalitativa forskningen går mer på djupet och försöker skildra hur, vad och varför någonting inträffar och tolka detta från dess kontext och sammanhang. Forskningen behandlar bl.a. observationsstudier, tolkningar av texter, intervju med specifika personer eller fokusgrupper. Forskaren arbetar systematiskt med insamling, tolkning, analys för att så småningom kategorisera och finna en röd tråd i materialet för att få en djupgående bild av området. Några skillnader i förhållningssätt mellan de olika huvudtyperna beskrivs nedan (Bryman & Nilsson, 2002):
Kvantitativ Kvalitativ
• Resultat i sifferfrom.
• Distans mellan forskare och deltagare.
• Statiskt och undersöker bara skillnad mellan variabler.
• Hård data.
• Generaliserande resultat för valda populationer.
• Resultat i form av ord.
• Kontakt mellan forskare och deltagare.
• Processinriktad och undersöker utveckling i sociala sammanhang.
• Djupare och mer fyllig data.
• Djupare förståelse utifrån given kontext.
2.4. Dagens förband
2.4.1. Bomförband
Bilmodellen använder idag ett s.k. bomförband (eng. splines, se bilaga 1), och är en typ av axialkoppling för kraftöverföring mellan axel och axel, alt. ett nav (Monti & Guagliano, 2019).
Till övervägande del handlar det om vridmoment och rotationsrörelse för att koppla samman två axeländar. Det är konstruerat genom att en axelände har ett antal bommar som passar in i motsvarande axeländes nav med hjälp av nedsänkningar. Elementets geometri kan bygga på olika varianter, t.ex. rektangulär- och triangelform, men den dominerande är evolventformen, som är standardiserad enligt SMS 1830 (Björklund, Hågeryd , Gustafsson, & Rundqvist, 2015).
Evolventformen på bomförbandet kan sägas vara den mest avancerade typen när det gäller hållfasthet och precision (Olsson K.-O. , 2015).
Ett bomförband består av flera olika parametrar men de två mest fundamentala är grundcirkeln och kuggtjockleken hos bommen, (jämförbart med kugghjul). Utöver dessa parametrar tillkommer bland annat pressvinkel, antalet bommar, delningen och begreppet Space width, som är ett mått på bomtjockleken vid delningsdiametern och finns beskrivet av (Oberg E. ,
5
Jones, Horton , & Ryffel , 2012). Dimensionering av bomförband görs med avseende på kontakttrycket på bomflankerna och skjuvspänningen vid bommarnas delningsdiameter.
Dessvärre finns det inga tillförlitliga beräkningsmetoder för dynamiska belastningar. Vid få stycketillverkning kan det finnas goda skäl för överdimensionering och vid stora serier är det klokt att göra utmattningsprovning (Björklund, Hågeryd , Gustafsson, & Rundqvist, 2015) Enligt ANSI B92.1 (1996) finns det idag fyra olika toleransklasser för bomförband (4 ,5 ,6, 7), som dikterar parametrarna Space Width och kuggtjockleken, men även evolventbommar med pressvinklarna α = 30°, 37,5° och 45°. Jämfört med tidigare liknande standarder då det bara fanns en toleransklass (1950) med pressvinkeln 45°, och senare tre toleransklasser (1960), gjordes detta för att möta behovet om större valmöjlighet efter tilltänkt produktapplikation.
ASA B5.15–1960 utgör basen i tabellform där resterande klasser räknas fram genom multiplicering av konstanter.
2.5. Axel – nav – förband.
Ett axel-nav-förband sammanlänkar en axel med ett nav för att överföra krafter, oftast ett vridmoment (Vetter, Leidisch, Ziaei, Herrmann, & Hasse, 2019). Arbetsprincipen för förbandet kan vara form- eller kraftbetingat, vilket betyder att formen på förbandet bestämmer funktionen (t.ex. kuggväxlar) eller att andra krafter (t.ex. friktions eller strömmingskrafter) överför själva rörelsen i förbandet. Axelförbandet är ofta av permanent natur, när det är monterat ska det ofta sitta kvar under en längre tid. I andra fall kan det vara normalt att plocka isär emellertid och då krävs lätta demonteringsegenskaper (Olsson K.-O. , 2015). Den här studien behandlar främst förband som kan röra sig i axialled. Det här avsnittet beskriver några exempel på olika formbetingade förband.
2.5.1. Bomförband
Se delkapitlet om Dagens kopplingstyp.
2.5.2. Enkla kilförband
Tack vare sin mångsidighet är kilförbandet en av de mest använda typen av formbetingade axel- nav-förband. Den enkla montering- och demonteringsprocessen tillsammans med kostnadsfördelar rättfärdigar dess existens. (Kresinsky , Leidich , & Hasse , 2019). Kilförbandet kännetecknas av en kil som placeras i ett spår på axeln och korrelerar med ett likande spår i navet. Ibland har man någon form av fixering för att försäkra sig om att navet inte rör sig axiellt. Kilarna är standardiserade där dimensionsregler framgår och beräknas utifrån högsta tillåtna uttryck mellan kil och spår (Olsson K.-O. , 2015).
2.5.3. Polygon koppling / liktjocking
Axel-nav-förband av polygontyp används för både fasta och glidande anslutningar mellan olika maskinelement. Polygonkopplingen (också kallad liktjocking) har fått sitt namn genom att de liknar vanliga polygoner med böjda sidor. Polygonkopplingen överför vridmoment via en formlåsning av axeln och navet. Jämfört med konventionella presspassningar tillåter kopplingen överföring av högre statiska vridmoment utan att glida genom anslutningen (Vetter, Leidisch, Ziaei, Herrmann, & Hasse, 2019). De tyska DIN – Standarderna – 32711, 32712 behandlar tre- och fyrsidiga polygontyper. Tresidiga polygonkopplingar lämpar sig bäst för stela applikationer under påverkan av ett vridmoment, medan en fyrsidig typ lämpar sig bättre om t.ex. ett nav ska glida på en axel i samma situation. Mekaniken bakom karaktärsdraget handlar om att en större pressvinkel ger bättre glidande egenskaper. Ungefär en 50% ökning i den axiella kraftpåverkan krävs för samma förflyttning med referens mot en splines-koppling.
(Oberg E. , Jones, Horton, & Ryffel, 2012) (Bhatta, 2016).
6
2.6. Axelkopplingar
En axelkoppling är ett maskinelement som sammanlänkar två axlar eller rotordelar med varandra. Funktionen är att ofta att överföra kraft (vridmoment) och/eller rörelse. Anledningen till att använda axelkopplingar mellan olika axlar är flera; att det är omöjligt eller opraktiskt att tillverka maskinen i ett helt stycke, att det man vill ha möjlighet att ta upp små avvikelser i vinkel eller axelcentrum och att kopplingen hjälper till att dämpa eller isolera vibrationer (Olsson K.-O. , 2015). Axelkopplingar kan delas upp i olika typer men det finns ingen gemensam teorigrund eftersom funktion och utförande varierar stort emellan dem. Några undertyper är fasta, ledbara, utan dämpning, med dämpning, med manöverorgan, vridriktningsmanövrerande, icke styrbara säkerhetskopplingar, icke styrbara centrifugalkopplingar och styr- och reglerbara kopplingar (Björklund, Hågeryd , Gustafsson, &
Rundqvist, 2015). Den här studien behandlar främst elastiska kopplingar, då de ofta kan medge små axialförskjutningar och är vibrationsdämpande. Elastiska kopplingar används frekvent i drivlinor tack vare sina lågpass-koppling och avledande egenskaper (Schirrer, Mayrhofer, &
Ritzberger, 2018).
2.6.1. Klokoppling
Klokopplingen består oftast av tre olika element, två klorelement och en spindel. Dessa nav sitter monterande med ”klor” mellan varandra tillsammans med spindeln. Spindeln är tillverkad av att ett visst material (t.ex. polyuretan) och dess egenskaper bestämmer sedan hur mycket vridmoment som kan överföras, hur snabbt axeln kan snurra och hur mycket vibrationer kan dämpas (R+L Hydraulics, 2021).
2.6.2. Pin and bush – koppling
Pin-bush-kopplingen består av två flänsar sammankopplade med ett antal olika koniska gummiringar monterade på stift. Gummiringarna absorberar stötar och vibrationer och tillåter samtidigt för montering och enkelt underhåll Det finns många olika applikationer för kopplingen inom industrin där ett praktiskt exempel är landningsställ hos flygplan (Antoni &
Gaisne, 2010).
2.7. Strukturdynamik
Strukturdynamiken är en del i ingenjörsvetenskapen som studerar deformations-, spännings- och resonanstillstånd hos strukturer belastade av tidsberoende laster.
2.7.1 Svängningar
Strukturers beteende under tidsberoende laster kan leda till att olika fenomen uppkommer.
Beroende på hur snabbt lasten varierar kan vågutbredning uppträda i en struktur. Vid andra typer av belastning kan svängningar eller vibrationer uppstå (Dahlberg, 2001). Den mest centrala klassen av vibrationsproblem är där rörelsen kontinuerligt utsätts för en störande kraft.
Belastningen kan appliceras externt eller alstras genom det egna systemet. (Meriam, Kraige, &
Bolton, 2016). Exempel på olika belastningar som en bil kan uppleva är låg-last till ingen-last, hastighetsområde, låg växel och motorernas egenskaper.
2.7.2 Resonans i system
Resonans eller självsvängning är ett fenomen som uppkommer i oscillerande system där en svag, periodisk drivande kraft i ett begränsat frekvensområde kan leda till att systemets svängningsamplitud ökar. Amplitudökningen beror på att egenvinkelfrekvensen ωe och den drivande kraften närmar sig systemets egenfrekvens ω. Då ω → ω e går alltså svängningens amplitud mot oändligheten, vilket kallas resonans (Björklund, Hågeryd , Gustafsson, &
Rundqvist, 2015). Svängningar kan leda till resonans där axelavståndet eller avståndet i en
7
spelpassning är som störst till närliggande hål. Det radiella spelrummet gör att i detta fall att splines-axeln bommar kan vibrera mot navets bommar.
2.7.3. Rotorvibrationer
Rotorvibrationer är en av de vanligaste formerna för svängning i mekaniska system och kan ha många olika ursprung, men de vanligaste är obalanser i en rotor. Fjäderkonstanten k är axelns styvhet där massans tyngdpunkt befinner sig. Rotorns massan kan ha en obalans som beror på dess tyngdpunktsexcentricitet, vilket är avståndet från massans tyngdpunkt till rotorns axel.
Rotorns massa roterar med vingelfrekvensen Ω. Amplituden går mot oändligheten då rotationsfrekvensen närmar sig egenfrekvensen. Då Ω = ω e kallas detta även rotorns kritiska vinkelfrekvens (critical speed). Man kan alltså dra slutsatsen att det kritiska varvtalet och egenvinkelfrekvensen vid böjsvängning alltid är lika (Dahlberg, 2001).
2.7.4. Resonansdämpning
Resonansdämpning är ett begrepp för dämpning av oönskad resonans hos maskinelement, maskiner och fordon m.fl. Detta görs primärt genom en anpassad konstruktion eller sekundärt genom energiupptagande element, vilka svänger i motfas till den störande frekvensen. Om dess tyngdpunktsexcentricitet ökar eller dämpningskoefficienten minskar kommer amplituden att öka (Khadem, Shahgholi, & Hosseini, 2010).
2.8. Effekten genom kopplingen
Effekten P är en produkt av den roterande axelns momentet och vinkelhastighet. I en ideal överföring av kraften sker inga förluster, vilket innebär att ingående effekt är lika med den utgående. Beroende på kopplingstyp kan en viss förlust uppstå. I verkligheten förekommer oftast förluster vilket innebär att effekten ut 𝑃𝑢𝑡 beror på effekten in 𝑃𝑖𝑛 i systemet samt dess verkningsgrad 𝜂 (Björklund, Hågeryd , Gustafsson, & Rundqvist, 2015).
2.9. Noise, vibrations, and harshness
Ett av de största bidragen till oljud i drivlinan är rörliga massor som vibrerar. Vibrationerna härstammar ofta från oregelbundna motorvibrationer som påverkas av vilken typ av motor det gäller (INA Wälzlager Schaeffler oHG, 2021). NVH refererar till noise, vibrations and harshness, där ljud genereras av rörliga vågor av fluktuationer i omgivande lufttryck.
Harshness refereras ofta till en oskön och subjektiv karaktär av noise and vibrations, t.ex. korta förlopp av ljudtoppar eller taktila chocktoppar men också ’efter-vibrationer’. Ljud uppfattas av det mänskliga örat efter styrka och skärpa efter lufttrycksfluktuationerna omvandlats till den mekaniska rörelsen hos snäckan som svarar på de olika plaster beroende på ljudets exciteringsfrekvens (Xin, 2011). Ett unikt NVH-problem beträffande hybriddrivlinor kan uppstå när olika motorers vridmomentsblandning ej synkroniseras. Vibrationer kan uppstå genom elmotorns låg-hastighets vridmomentskrusningar och växlars skaller (Xin, 2011), (Steyer, Voight, & Sun, 2005), (Juang, Harvey, Burzlaff, & Rockett, 2006) och (Wellmann, Govindswamy, Braun, & Wolff, 2007).
2.9.1 Åtgärder för att minska NVH-problem
Konstruktionsmässiga åtgärder för att minska motor-NVH-problem faller generellt in i fyra olika kategorier, minskning av styrkan på excitationen vid källan genom motordesign eller driftåtgärder, ljuddämpande åtgärder, reducera eller isolera ljudöverföringsvägen genom den strukturella dämpningsförmågan och ljudisolering/inkapsling. Ofta är det de sista två alternativen som förekommer med hänsyn till komponenter i systemet. Den strukturella
8
dämpningsförmågan kan i sin tur brytas ner i ytterligare fyra metoder för att minska oljud från systemets ytor (Xin, 2011):
1. Öka strukturens styvhets och där med ändra resonansfrekvensen.
2. Minska kontaktytan.
3. Minska ljudöverföring (användandet av ljuddämpande material för det luftburna bullret).
4. Minska ljudöverföringen genom strukturen (strukturell isolering, dämpning med massdämpare etc.).
2.10. Termisk expansion
Termisk expansion eller värmeutvidgning är den relativa ökningen hos en kropps storlek då dess temperatur ökar. Längdutvidgningskoefficienten α, beskriver den linjära expansionen av ett ämne, enligt ekvation (5). Längdutvidgningskoefficienten α för stål mellan 0°C till 100°C är i genomsnitt lika med 11,5×10-6/K och för titan 10×10-6/K. Volymutvidgningskoefficienten γ, beskriver i sin tur den relativa volymökning hos ett ämne då dess temperatur ökar 1 K och är enligt regel 3×α.
Värmekällor som kan påverka den linjära expansionen i axelförbandet sker antingen genom ledning, konvektion eller strålning. Typiska källor som påverkar kan vara; omgivande miljö, friktion i lager och kopplingar, eller värmeutveckling i motorer och växellådor. Det är viktigt att tänka på materialvalet när man konstruerar med hänsyn till den termiska expansionen, komponenter med olika längdutvidgningskoefficienter kommer uppleva värmespänningar (Mohanraju, Ramesha, Appaiah, Kumar, & Krishna Prasad, 2020).
2.11. Friktion
Friktionskraft uppstår i kontaktytan mellan två kroppar. Normalkraften och friktionskraften är proportionella mot varandra där proportionalitetsfaktorn kallas friktionstal. Den här faktorn bestäms av flera andra faktorer, t.ex. kropparnas material och ytbeskaffenhet.
Proportionalitetsfaktorn är också beroende av om kropparna befinner sig i vila eller i rörelse.
(Björklund, Hågeryd , Gustafsson, & Rundqvist, 2015).
2.12. Materialval
Den kontinuerlig utveckling av tillverkningssektorn har gett konstruktörer och designers möjlighet att utveckla förbättra produkter till lägre kostnader. Det finns runt 50 000 olika material att välja emellan, men vilket som lämpar sig bäst är inte alltid lätt att svara på (Ashby
& Jones, 2012). I närvaron av olika motstridiga kriterier så som materialets fysiska och kemiska egenskaper, estetiska aspekter, miljöpåverkan, form och storlek, återvinningsbarhet, kundtillfredsställelse m.fl. gör materialvalet till en komplex uppgift. Därför är det viktigt att använda ett robust tillvägagångssätt under materialvalsprocessen (Chatterjee & Chakraborty, 2020). I många fall används ofta mer material än nödvändigt och/eller ett potentiellt ovanligt material där ett vanligare skulle duga. Ofta handlar det om materialets yt-egenskaper (t.ex. låg friktion eller korrosion resistens) man vill dra nytta av; då kan kanske en fin yt-film med det ovanligare materialet användas tillsammans med en kärna av det vanligare (Ashby & Jones, 2012).
9
2.13. FMEA
Syftet med en Failure Mode Effect Analysis (FMEA) är att det ska vara en modell för tillförlitlighetsanalys. Ett systematiskt arbetssätt för genomgång av en produkt eller process.
Målet är att i slutändan förbättra resultatet där fokus ligger på funktionen, felsätt, felorsaker och felkonsekvenser. En kvalitativ analys av sambanden mellan felsätt och felkonsekvenser på systemnivå som göra att dessa kan förhindras i framtiden. Grova analyser gör att resultatet blir tydligt, vilket i många fall är bra då produktutveckling genomgår många olika faser.
I praktiken när det kommer till att faktiskt utföra en FMEA är det ofta ett standardformulär som ska fyllas i med olika paragrafer. Funktion, felmöjlighet, felorsak och kontroll ska summeras, därefter behandlas felsannolikhetsgraden, allvarlighetsgraden, upptäckssannolikhetsgraden och ett risktal kan räknas fram. När man ser effekten och orsakerna görs rekommenderade åtgärder och ett nytt risktal kan räknas fram (Filz, Langner, Herrmann, & Thiede, 2020).
10
3. Metod
I den här delen beskrivs projektets tillvägagångssätt i detalj.
Projektet kommer att arbeta och tillämpa delar av Karl T. Ulrichs och Steven D. Eppingers metod för konstruktion och produktutveckling för att utveckla det efterfrågade konceptet.
Litteraturstudien ingår inte specifikt i författarnas metod men den ligger till grund för att samla kunskap och förståelse inför projektets syfte. De ingående delarna kundbehov, produktspecifikation, konceptgenerering och val av koncept är efterföljande delar i metoden medan sista delen konceptvalidering byggs på vad författarna i boken kallar prototyping technologies och kommer i ett senare skede, se flödesschema i figur 1. Projektet använder sig av Microsofts Word och Excel för den skriftliga presentationen och CATIA V5 som modellering och simuleringsprogram.
Figur 1 Projektets flödesschema
3.1. Litteraturstudie
Under den förberedande delen av projektet etableras en referensram genom en sökning av aktuell litteratur, så som; kurslitteratur, vetenskapliga artiklar, journaler osv. Det här syftar till att skapa en djupare förståelse av problemställningen men samtidigt ge en bredare kunskapsgrund att stå på under olika delar av projektarbetet. Ansatsen kommer vara ett kvalitativt tillvägagångssätt.
3.2. Kundbehov
Filosofin bakom den här delen är att skapa en god kontakt mellan målgruppen och utvecklaren, idén är att ansvariga för produkten och målgruppen behöver komma till koncensus för att få en så verklighetsförankrad bild av problemet som möjligt. Karl T. Ulrich och Steven D. Eppinger konstaterar att utan den här typen av kontakt så råder det stor risk för att den bästa möjliga lösningen aldrig blir framtagen.
Projektarbetet utgår framför allt ifrån de uttalade kundbehov som utarbetats från projektmöten tillsammans med kontaktpersonen från Koenigsegg Automotive AB, dessa har sedan sammanställts i en need-matrix som presenteras i resultatdelen. Projektet siktar även på att bemöta de s.k. underförstådda- och omedvetna behoven.
3.3. Produktspecifikation
Är den del av metoden som omvandlar kundbehoven till konkreta data. Även om kundbehoven säger en hel del om problemet i frågan så är det ofta löst definierade termer som är svåra att mäta och alldeles för öppna för tolkning, vilket i sin tur kan leda till feltolkningar. Därför används den här sektionen till att definiera behoven till mätbara data och precisionsriktiga data.
Produktspecifikationen görs i två steg, där målspecifikationen, target-specifications upprättas i början av projektet. Efter det att projektet fortskrider omvärderar man eventuella mål som inte går att uppnå medan andra blir överträffade, då etableras den slutgiltiga produktspecifikation, final-specifications. Den sistnämnda presenteras i rapporten där det tydligt framgår vad som förväntas av produkten i början av arbetet och vad som sedan kan utlovas av konceptet. Här kommer även en need-metrics-matris att upprättas, som har till syfte att visa hur kundbehoven tillgodoses av olika metriska mått.
11
3.4. Konceptgenerering
Ett koncept är en approximerad beskrivning av hur produkten kommer fungera och se ut i verkligheten. Ett koncept redogörs ofta via en skiss eller en 3D-modell, där bör även medfölja en kort text om hur konceptet i frågan ska fungera och hur det uppfyller produktspecifikationerna. Ett bra koncept även om det är dåligt implementerat går oftast att förbättra och slutligen få ett bra resultat, medan ett dåligt koncept även om det är väl implementerat kan i väldigt få fall räddas. Konceptgenereringsprocessen tar vid efter produktspecifikationen och syftar till att resultera i ett eller flera färdiga produktkoncept.
Konceptgenereringsdelen består av fem olika steg:
1. Att klargöra problemet 2. Att leta externt 3. Att leta internt
4. Att utforska alternativen systematiskt 5. Att reflektera över lösningen och processen
Klargöra problemet är en process som gör att man får en bredare förståelse för själva problemdefinitionen, där man bryter ned problemet i delproblem. De mest kritiska delproblemen gör sig på så vis uppenbara och projektgruppen får det lättare att bemöta och slutligen hitta lämpliga lösningar i from av olika konceptfragment.
Leta externt är en viktig del av konceptgenereringen som ska ge en bred inblick av området och hur det ser ut i ett tidigt skede, här har projektgruppen med sig erfarenhet från tidigare delar i from av bl.a. projektets litteraturstudie. Projektgruppen kan rådgöra med uppdragsgivaren för att möjligtvis få deras expertutlåtande och tankar angående problemet. Här granskas även relevanta patent och redan existerande lösningar (benchmarking) för att få en så bred inblick som möjligt på hur marknaden ser ut men också för att ge inspiration till konceptgenereringen.
Leta internt är processen där projektgruppen faktiskt arbetar på skapandet och generering av koncept både individuellt och i grupp. I den här delen används en serie olika genereringsstrategier t.ex. brainstorming för att generera så mycket och så breda idéer som möjligt.
Utforska alternativen systematiskt, det är här som hanteringen av alla möjliga koncept eller konceptfragment måste hanteras för att systematiskt kunna ta fram de bästa konceptlösningarna.
Då ett flertal olika konceptfragment har tagits fram för de kritiska delproblemen så måste dessa hanteras för att bilda ett funktionellt koncept, här används beprövade metoder som konceptklassifikationsträd som går ut på att delar upp lösningarna på de kritiska problemen i klasser och sedan gallra ner alternativen till dess att ett par optimala lösningarna är kvar i varje klass. Efter att de mest optimala konceptfragmenten har tagits fram så tillämpas dem i ett konceptkombinationssystem där kombinationer från de olika klasserna testas för att hitta fullständiga konceptförslag. Avslutningsvis så granskas de olika koncepten och processen i konceptgenereringsfasen kritiskt, detta för att granska om något har missats eller inte gynnar projektet i sin helhet.
12
3.5. Val av koncept
Under konceptvals-processen jämförs de framtagna koncepten för att utvärdera hur väl deras styrkor och svagheter lever upp till produktspecifikationen. Därefter väljs det koncept som de facto lämpar sig bäst för att efterleva produktspecifikationen. Konceptvalet görs dock inte enbart under den här delen av projektet utan sker konstant under hela utvecklingsprocessen.
Det finns många olika strategier för att välja det koncept som är mest relevant. I det här projektet kommer mätdata som specificeras i produktspecifikationsdelen användas som underlag. Här förespråkar Karl T. Ulrichs och Steven D. Eppinger att man skall använda sig av ett tillvägagångssätt som består av två delar, concept screening och concept scoring.
Concept-screening är en grov jämförelse som använder ett referenskoncept för att utvärdera konceptvarianter mot urvalskriterier och slutligen begränsa valmöjligheterna. Det kan beskrivas som en version av Pugh-matris.
Concept-scoring kan utnyttja sig av andra referenspunkter för urvalskriterierna och använder viktade urvalskriterier med en finare betygsskala. Den används med fördel om konceptet inte ter sig uppenbart men kan koppas över om concept-screening frambringar ett mer dominant koncept.
Båda delarna använder en matris som grund för en urvalsprocess med sex olika steg:
1. Förbered urvalsmatrisen 2. Betygsätt koncepten 3. Ranka koncepten
4. Kombinera och förbättra koncepten 5. Välj ett eller flera koncept
6. Reflektera över resultaten och processen
3.6. Konceptvalidering
Produktutveckling kräver ofta att man bygger och testar själva produkten/konceptet approximativt och detta kan göras genom att bygga trovärdiga prototyper. Dessa prototyper kan sedan utvärderas och beskådas från olika dimensioner och vara en bra grund för beslutsfattande.
Inom produktutvecklings-projekt används prototyper för fyra anledningar: learning, communication, integration och milestones. Prototyper kan också generellt delas in i två kategorier, fysiska och analytiska.
Fysiska prototyper är konkreta versioner för att efterlikna produkten som sedan kan testas och experimenteras med. Exempel på sådana prototyper inkluderar modeller som ”ser ut och känns som” produkten, proof-of-concept prototyper där man kan prova en idé snabbt, och experimentell hårdvara som kan validera produktens funktion.
Analytiska prototyper representerar produkten matematisk eller på ett visuellt sätt. Intressanta delar av produkten analyseras istället för att rent praktiskt byggas. Exempel på sådana prototyper kan vara datorsimuleringar, ekvationssystem, datormodeller med tredimensionell geometri. Analytiska prototyper är ofta väldigt omfattande kring alla dimensioner av produkten, medan fysiska prototyper ofta kan vara fokuserade kring en dimension.
Learning, prototyper används ofta för att besvara fråga ”kommer det att fungera” och ”hur väl bemöter det kundbehoven”. När prototypen används för att besvara liknande frågor så kan man beskriva det som ett lärande.
13
Communication, prototyper berikar kommunikationen med olika intressenter till projektet. Det kan vara parter som ledningsfigurer, leverantörer, partners, kunder och investerare som får en djupare och lättare förståelse om informationen endast beskrivs verbalt eller med en simpel skiss. Detta gäller särskilt för fysiska prototyper men också till viss del för analytiska prototyper (tredimensionella modeller).
Integration, prototyper används för att säkerställa att komponenter och delsystem i produkten fungerar som ett system. Omfattande fysiska prototyper är de mest effektiva integrationsverktyg produktutvecklingsprojektet kan använda eftersom de faktiskt kräver montering och fysisk ihop koppling. Här kan viktiga lärdomar om funktionaliteten komponenter emellan utvärderas och ändras.
Milestones, särskilt i ett senare stadie av produktutvecklingen används prototyper för att visa uppnådd funktionalitet av produkten. Milstolpes-prototyper används för att ge konkreta mål, visa framsteg och tjänar projekttiden.
3.6.1. Prototypplanering
Karl T. Ulrichs och Steven D. Eppinger beskriver en fyra-stegs modell för att planera prototyparbetet i ett produktutvecklingsarbete och kan implementeras på alla typer, fysiska och/eller analytiska.
Första steget – define the purpose of the prototype, syftar till att precisera anledningarna som diskuterats tidigare i kapitlet. Detta kan göras med hjälp av en lista/tabell som påvisar syfte, nivå av uppskattning, experiment/test och ett schema över aktiviteterna.
Andra steget – establish the level of approximation of the prototype, syftar till att bestämma vilken nivå av verklighetsförankring prototypen ska inneha jämfört med den slutliga produkten.
Här bestäms även ansatsen, fysisk eller analytisk bedömning och viktiga kriterier.
Tredje steget – outline an experimental plan, syftar till att utarbeta en plan för vad som ska testas och hur för att anbringa så mycket värde av tiden som möjligt. Den experimentella planen innehåller identifiering av variabler, testprotokoll, indikation på vad som kommer testas och hur data ska analyseras.
Fjärde steget – create a schedule for procurement, construction and testing, syftar till att skapa ett schema eftersom enbart byggandet av prototypen kan betraktas som ett delprojekt inom projektet. Det finns huvudsakligen tre viktiga datum att efterfölja, första är när prototypen ska vara färdig, det andra är när själva testet ska utföras, och det tredje är när testet ska vara färdigt och resultaten färdigtolkade.
3.7. Projektavslut
Som avslutande aktivitet för examensarbetet kommer den slutgiltiga produktspecifikationen specificeras i resultatdelen tillsammans med en FMEA. Projektgruppen tänker beskriva vilket eller vilka koncept som lämpar sig bäst med tanke på examensarbetets problemdefinition, den teoretiska referensramen och utförda experiment/analyser.
14
4. RESULTAT
I den här delen presenteras projektets resultat.
4.1. Resultat från litteraturstudie, splines-förband vs förband med polygonprofil
Det traditionella splines-förbandet har många ogynnsamma egenskaper. Skarpa kanter blir ofta startpunkter för spänningskoncentrationer, utmattning och axelbrott. Detta tas ofta hänsyn av säkerhetsfaktorerna vid dimensionering och resultatet blir ofta att axeln överdimensioneras och därmed också blir dyrare, att axeln blir större och därmed tyngre, men också att tillverkningen kan vara knepig med dyra maskiner och excentricitetsfel som följd. Polygonkopplingen är ett bra alternativ som praktisk eliminerar vissa av dessa tekniska- och tillverkningsmässiga egenskaper (Szabó, 2018). Polygonkopplingens visar flera fördelar över det traditionella och kan vara ett pålitligt alternativ. Spänningskoncentrationer bildas inte i kopplingen, det finns inget behov av att öka axlarnas tvärsnitt, deras livstid är länge och de är självcentrerande.
Tillverkningen görs ofta med en fräs som kan arbeta enligt en polygonbana där efterarbetningen ofta är minimal (Szabó, 2018). Det kan påvisas att dragspänningarna i en polygonaxel är betydligt mindre än i ett jämförbart evolvent splines-förband tillsammans med alla andra spänningar som kan uppstå mellan nav och axel. Storheterna och föredelningarna av den maximala huvudsakliga tryckspänningen, skjuvspänningen och Von Mises-spänningen är densamma på både axel och nav. Slutsatsen att polygonkopplingen kan vara mer fördelaktig än splines-förbandet påvisas i ett experiment/simulering av (Khan-Jetter, Hundertmark, & Wright, 2000).
4.2. Kundbehov
Kundbehoven som utarbetades i samråd med kontaktpersonen från Koenigsegg beskrivs i tabell 1 och bilaga 2. Förutom detta redovisar projektgruppen också några förutfattade antaganden innan arbetet började i bilaga 3. Needs kan betraktas som krav och/eller önskemål från företaget sida där Importance reflekterar hur viktigt dessa är hos det slutgiltiga konceptet.
Tabell 1 Needs
4.3. Produktspecifikation
Efter att kundbehoven var kända upprättades en target-specification, där arbetet utgått från vad som finns idag, vilka egenskaper och förutsättningar som ska bemötas. I bilaga 4 preciseras target-values till höger och är beroende på vad som eftersträvas av konceptet. I bilaga 5 ses en metrisk-mått-matris som korrelerar med kundbehoven och dess egenskaper. Den slutgiltiga produktspecifikationen kan vi se i bilaga 17.
15
4.4. Konceptgenereringen
För att klargöra problemet ritades först en delproblems-matris upp och en illustration av de kritiska delproblemen, se figur 2.
Figur 2 Del-problems-matrisen med de fyra kritiska delproblemen.
Här identifierades fyra kritiska delproblem.
• Connection – vilket syftar på hur vridmomentet överförs.
• Material – vilket syftar på materialvalet till kopplingen.
• Energyloss (to friction) – vilket syfta på den energiförlust som kan uppstå på grund av friktionskraften som kan uppstå mellan kropparna.
• Resonance (critical speed) – vilket syftar på resonansfenomenet och det kritiska varvtalet.
Under delen leta externt så fastställdes stora delar av referensramen. I viss mån hade vi dagens kopplingstyp som utgångspunkt och kollade på relevanta och likande kopplingstyper mot bomförbandet. Kilförband, klokoppling och liktjocking hade alla intressanta egenskaper som ansågs vara relevanta för projektet. Här utfördes även ett svenskt patentsök i Patent och Registreringsverkets databas (PRV). Söktjänsten är en kostnadsfri tjänst som innehåller svenska patent, svenska offentliga patentansökningar, europeiska patent (EP-patent), EP ansökningar som publicerats under §88 (Patentlagen) och beviljade EP-patent där Sverige är designerat d.v.s. sökanden som vill göra sitt patent lagligt i landet. Sökord som användes var redovisas i bilaga 6.
Därtill granskades också eventuella standarder som tycktes relevanta. Nedan listats standarder som varit till grund för delar av arbetet:
• DIN-32711-1, Shaft-to-hub, P3G polygon profile - Part 1: General information and geometry.
• DIN-32711-2, Shaft-to-hub connection - P3G polygon profile - Part 2: Calculation and dimensioning.
• DIN-32712-1, Shaft-to-collar connection – Polygon profile P4C – Part 1: Generalities and geometry.
• DIN-32712-2, Shaft-to-collar connection – Polygon profile P4C – Part 1: Calculation and dimensioning
.
Under delen leta internt gjordes en brainstorming gruppmedlemmar emellan. Resultatet från denne var ett antal konceptförslag som innehöll vibrationsdämpande material, konstruktionsmässig uppbyggnad och förslag på kropparnas ytfinhet.
För att slutligen utarbeta lämpliga konceptförslag under delen utforska alternativen systematiskt, sammanställdes en schematisk illustration av relevanta lösningar på de olika kritiska delproblemen, se bilaga 7. Konceptklassifikationsträdets grenar presenteras i bilagorna 8, 9, 10 och 11.
16
4.5. Utvalda konceptförslag
Vid konceptgenereringen framställdes fem koncept på utformningen av kopplingen. De utvalda koncepten genererades slutligen med inspiration från referensramen och genereringsprocessen, koncepten illustreras i rapporten med hjälp av modeller i CATIA V5.
4.5.1 Koncept AH1
Figur 3 Koncept AH1 - tre-sidig polygonkoppling - axel - nav
Koncept AH1 (se figur 3) bygger på en tresidig polygonkoppling med en axel och ett nav. Idén är att vevaxeln ska tillverkas att efterlikna axel-delen och elmotorns konfiguration ska anpassas efter nav-delen, men det går naturligtvis att använda på andra punkter där det sitter splines idag.
Lämpligt referensmaterial är DIN 32711 (P3G). Kopplingen är formbetingat och självcentrerade under lastöverföring. Det är viktigt att tyngdpunktsexcentricitet är så liten som möjligt för att inte vidare förstärka rotorvibrationerna. Polygonkopplingen har potential för att överföra ett större vridmoment än t.ex. splines, dessutom kan kopplingen optimeras utefter kraft- och lastvärden vilket leder till minde plats och mindre accelererad massa under rotation.
Ett visst underhåll i form av smörjning ses som ett alternativ för att försumma energiförlusten av friktionskrafter som kan uppstå mellan kropparna vid dynamisk belastning. Eftersom både axel och nav är tillverkade i samma material med samma volymutvidgningskoefficienter kommer inga värmespänningar uppstå. Däremot kommer arbetstemperaturen runt kopplingen ge upphov till en längdexpansion av axeln, men eftersom den tillåts att röra sig linjärt axiellt är det inget problem.
Fördelar Nackdelar
• Kan enkelt ersätta dagens splines-förband.
• Liten konstruktion, låg vikt och platsbesparande.
• Potentiellt hög kraftöverföring med liten förlust.
• Klarar axiella rörelser.
• Självcentrerande, minimerar tyngdpunktsexcentriciteten.
• Klarar höga rpm-värden.
• Enkel montering och demontering vid servicearbeten.
• Klarar höga temperaturer.
• Styv konstruktion.
• Kräver ett visst underhåll.
• Osäkert hur mycket av vibrationerna som kan dämpas.
• Kräver fina toleranser.
• Kan behövas kombinera med någon ytterligare form av dämpning, t.ex. ett dämpande lager osv.
17 4.5.2. Koncept AH2
Figur 4 Koncept AH2 - fyra-sidig polygonkoppling – axel - nav
Konceptet AH2 (se figur 4) bygger vidare på koncept AH1 där den stora skillnaden är antalet sidor på polygonkopplingen. Lämpligt referensmaterial är DIN 32712 (P4C). En fyrsidig utformning lämpar sig bättre om axeln ska glida i navet på grund av temperaturen och längdutvidgningen. Mekaniken bakom karaktärsdraget handlar om att en större pressvinkel ger en mindre kontaktyta vilket leder till bättre glidande egenskaper. Nackdelen är att den minskade kontaktytan ger högre spänningskoncentrationer.
Fördelar Nackdelar
• Kan enkelt ersätta dagens splines-förband.
• Liten konstruktion, låg vikt och platsbesparande.
• Potentiellt hög kraftöverföring med liten förlust.
• Klarar axiella rörelser.
• Självcentrerande, minimerar tyngdpunktsexcentriciteten.
• Klarar höga rpm-värden.
• Enkel montering och demontering vid servicearbeten.
• Klarar höga temperaturer.
• Styv konstruktion.
• Bättre glidande egenskaper vid axiell rörelse än AH1.
• Kräver ett visst underhåll.
• Osäkert hur mycket av vibrationerna som kan dämpas.
• Kräver fina toleranser.
• Kan behövas kombinera med någon ytterligare form av dämpning, t.ex. ett dämpande lager osv.
Nackdelar forts.
• Högre spänningskoncentrationer i kanterna än AH1.
4.5.3. Koncept AA3
Figur 5 Koncept AA3 - en typ av klokoppling – spindeln på insidan
18
Koncept AA3 (se figur 5) bygger på klokopplingens principer. Idén är att kopplingen förenar två axeländar från vevaxeln och en axel från elmotorn, men det går också att applicera på andra punkter där axlar förekommer. Kopplingen är formbetingad och reducerar vibrationer via spindeln på insidan som förslagsvis är tillverkad av någon beständig polymer med bra egenskaper. Kopplingen installeras med ett visst spel mellan ”klorna” vilket gör att längdförändringen inte är något problem, dessutom skulle kopplingen klara en viss vinkelavvikelse mellan axlarna. I teorin är kopplingen underhållsfri men det beror mycket på spindels materialegenskaper, varav t.ex. krypningar kan förekomma. Effektförlusten i kopplingen anses försummas under arbete. Materialvalet till klor och spindel anses vara det mest kritiska i kopplingen. ”Klorna” tillverkas förslagsvis i stål medan spindeln tillverkas i ett material som tål en hög belastning, många varv per minut och en hög arbetstemperatur.
Fördelar Nackdelar
• Chock- och vibrationsdämpande.
• Underhållsfri i teorin.
• Klara små axiella rörelser och vinkelfel.
• Spindelns egenskaper är begränsande.
• Storleken på kopplingen växer i samband med storleken på vridmoment.
• Möjligtvis svårare att anpassa till dagens konstruktion.
• Flera rörliga delar.
4.5.4. Koncept AA4
Figur 6 Koncept AA4 - en typ av klokoppling med spindeln på utsidan
Koncept AA4 (se figur 6) bygger också den på klokopplingens principer men till skillnad från koncept AA3 är spindeln monterad på utsidan men inuti ett nav. Navet ligger löst mellan axlarna vilka är smått koniska, idén är att detta gör navet och spindeln självcentrerande men där axelns
”klackar” förhindrar att det rör sig allt för mycket ur sin plats. Navet består av två komponenter, det yttre skalet och spindeln. Det yttre navet har till uppgift att förstärka spindelns egenskaper, men även här är spindelns egenskaper troligtvis det mest kritiska. Axlarna installeras med ett visst spel mellan varandra. Navet och klorna tillverkas förslagsvis i stål medan spindeln tillverkas i ett material som tål en hög belastning, många varv per minut och en hög arbetstemperatur.
Fördelar Nackdelar
• Chock- och vibrationsdämpande.
• Underhållsfri i teorin.
• Klara små axiella rörelser och vinkelfel.
• Spindeln är förstärkt med ett nav runtom.
• Spindelns egenskaper är fortfarande begränsande.
• Storleken på kopplingen växer i samband med storleken på vridmomentet.
• Möjligtvis svårare att anpassa till dagens konstruktion.
• Flera rörliga delar.
19 4.5.5. Koncept AA5
Figur 7 Koncept AA4 - pin bush-koppling
Koncept AA4 (se figur 7) bygger på pin bush - kopplingens principer. Idén är en formbetingad flänskoppling fast med vibrationsdämpande pinnar som istället förbinder axeländarna än vanliga bultar. Axlarna installeras med ett visst spel mellan varandra som tillåter en viss längdförändring där en liten vinkelavvikelse inte heller är något problem på grund av pinnarnas form. I teorin är kopplingen underhållsfri men det beror mycket på pinnarnas utformning och materialval. Effektförlusten i kopplingen anses kunna försummas under arbete. Materialvalet till pinnarna anses vara det mest kritiska i kopplingen. Flänsarna och pinnarna tillverkas förslagsvis i stål medan den vibrationsdämpande-beläggningen på pinnarna ska likna polymeren i koncept AA3 och AA4.
Fördelar Nackdelar
• Chock- och vibrationsdämpande.
• Underhållsfri i teorin.
• Klara små axiella rörelser och vinkelfel.
• Pinnarnas egenskaper är begränsande.
• Storleken på kopplingen växer i samband med storleken på vridmomentet.
• Kräver fina toleranser.
4.6. Val av koncept
Strategin för att välja det slutgiltiga konceptet bygger på resultatet från diskussioner inom projektgruppen. Eftersom enbart fem koncept slutligen framställdes, där kvalitet istället för kvantitet låg till fokus, valde projektgruppen att enbart tillämpa en concept scoring-matris (se figur 8 och bilaga 12) för sållningen. Anledningen till detta var att projektgruppen ansåg att de haft en tidig kännedom av vad de olika konceptens styrkor och svagheter var. En grövre sållning ansågs som överflödig då en concept screening-matris inte skulle bidra med någon ny information eller påverka valet i någon större utsträckning.
Genom att tillämpa en concept scoring-matris kunde delar av kundbehoven och produktspecifikationen användas som referenspunkter för urvalskriterierna med tillsammans med en finare betygsskala. Detta gjordes med fördel då konceptegenskaperna jämfört med varandra inte tydligt gav upphov till en segrare. Arbetsprocessen gick först ut på att skapa matrisen, som innehåller urvalskriterier, viktningen av dessa kriterier hämtat från produktspecifikationen, en generell referenskoppling (i detta fall splines-förbandet), viktad poängsättning och alla de fem olika koncepten. Betygsättningen skedde med kundbehoven som grund och den teoretiska referensramen som hjälpmedel, och rankningen blev summan av arbetet.
