Utveckling av handtag för reducering avskadliga stavkrafter vid rullskidåkning EXAMENSARBETE

EXAMENSARBETE

Utveckling av handtag för reducering av

skadliga stavkrafter vid rullskidåkning

Erik Thorsell

2013

Civilingenjörsexamen Teknisk design

Luleå tekniska universitet

Förord

Jag vill ge ett stort tack till mina handledare under projektet, Peter Törlind från LTU och Johan Öberg på Elpex, för gott samarbete, bra feedback och bidragande med kunskap.

Ett särskilt tack även till Simon Johansson, Doktorand vid LTU, för handledning och hjälp i Matlab.

Alla som ställt upp i utvärderingar, enkäter och tester ska också ha ett stort tack.

Luleå den 11 Juni 2013

Sammanfattning

Längdskidåkning är en populär träningsform, att alla 15800 platser till Vasaloppet fylldes på 8 minuter är ett tecken på detta. I en stor del av världen är det dock barmark större delen av året vilket medför att träningen ofta sker med rullskidor. Asfalt är hårt och många får skadeproblem av att monotont slå stavarna i marken. För att lösa problemet har Elpex tagit fram en prototyp på en dämpningsmekanism som ska reducera problemen. Syftet med examensarbetet var att undersöka de skadliga stavkrafterna vid rullskidåkning och hur dessa kan reduceras. Målet var att utveckla och designa ett stavhandtag med kontrollrem anpassat till dämpningssystemet.

Examensarbetet omfattade 30 högskolepoäng och utfördes under våren 2013 genom LTU och Elpex i Öjebyn. Elpex är en tillverkare av rullskidor med kontor beläget i Öjebyn, Piteå. De är i en expanderande fas och vill utöka sin produktbredd. För att få en djupare förståelse för problemet inleddes projektet med litteraturstudier, enkätundersökningar och intervjuer. Slutsatsen från denna fas var att skador i armar är ett stort problem vid rullskidåkning och att orsaken högst sannolikt är en tydlig kraftspik i början av stakcykeln. För att själv för en bättre insikt i problemet åkte jag under våren tre längre långlopp och totalt 100 mil längdskidor. Parallellt med detta designades stavhandtaget. Med krav från Elpex att tidigt få ut produkten på marknaden skedde konceptframtagning och – förbättring nästan uteslutande i datorstödd programvara för att snabbt få fram ett underlag att skicka iväg till tillverkaren. Formen utvärderades av sektress-skäl enbart av personer på Elpex med hjälp av bland annat en 3 dimensionell utskrift av ett tidigt koncept. När företaget var nöjt skickades den slutliga CAD-modellen iväg för produktion av en nollserie. Handtaget är tillverkat av HDPE och har en korkbeläggning i greppytan. Det har även något har längre urgröpning för bättre stöd mot staven. Framtagningen av den andra delen av produkten, kontrollremen, skedde genom skisser, workshop och prototyptillverkning. Det slutliga skissade konceptet blev en rem med bred avlastningsyta och neopren som har en stötdämpande effekt.

Möjligheterna att undersöka krafterna inleddes genom att ställa upp en försöksplan. Denna innefattade vad som skulle mätas, hur detta skulle göras och varför. Lösningen blev en minimal kraftcell monterad mellan handtag och stav. Denna anslöts till en portabel mätenhet som tillsammans med en dator placerades i en ryggsäck för att kunna mäta krafterna under rullskidåkning utomhus. Mätningar utfördes med och utan dämpare på asfalt. Slutsatsen från kraftmätningarna är att det finns skillnader i kraftens karaktär. Bland annat så uppkommer den maximala kraften, som dessutom är lägre, något senare under isättningsfasen för att sedan avta mindre med dämpad stav. Själva kraftspiken har sammanfattningsvis ett mer avrundat utseende men utvecklar ändå samma impuls.. Efter isättningsfasen är karaktären på kraften likartad.

Abstract

Cross country skiing is a popular sport, just the fact that 15 800 people registered for Vasaloppet 2014 in 8 minutes is a proof. In most parts of the world it’s mostly bare ground during a long period of the year and therefore most of the training is done with roller skis. Tarmac is hard and a lot of people get injuries by monotonously hitting the poles in the ground. To solve the problem Elpex has developed a prototype of a damping system which will reduce the problem. The purpose of this master thesis was to examine the adverse pole forces when roller skiing and how to reduce them. The goal was to develop and design a handle adapted for the damping system.

The master thesis covered 30 credits and was done during spring 2013 by LTU for Elpex. Elpex is a roller ski company with office in Öjebyn,Piteå. Elpex are in an expanding phase and wants to extend their product range. To get a better understanding for the problem the project was initiated by literature studies, surveys and interviews. The conclusion from this phase was that injuries in arms is a common problem when roller skiing and that the cause most likely is a distinct force peak in the beginning of the phase. To get a better insight in the subject I participated in three endurance races and covered in total 1000 km of cross country skiing.

Parallel with this the pole handle was designed. With requirements from Elpex to rapidly get the product on the market the concept development and improvement was almost exclusively done directly in computer aided software for fast development. The shape was by secrecy reasons evaluated only by persons at Elpex and for example a three dimensional model was used. When the company was satisfied the final CAD-model was sent for production. The handle is made of HDPE and has a cork coating on the gripping surface. It also has a longer hole for better support against the pole. The development of the second part, the control strap, was done by sketching, workshop and prototype manufacturing. The final sketch concept was a strap with wide surface for force distribution, and neoprene for better damping effect. The possibilities to analyze the pole forces were initiated by making an experimental plan. The plan covered what to analyze, how to do it and why. The solution was a minimal force cell installed between handle and pole. It was connected to a portable measure station which together with a laptop was placed in a backpack for examination of the pole forces during roller skiing outdoors. The measurements were done on tarmac with and without damping system. The conclusion from the measurements is that there are differences in the character of the force. The maximal force when the pole touches the ground is lower and also occurs later with the damping system. After the peak the force seams to decrease less. The force peak is more rounded but still develops the same impulse. After insertion the character of the force is similar.

For further work following is recommended; adjust the plastic plug which attaches the strap to the handle, decrease the draft angle at the back, use more elite cross country skiers for the measurements, improve test equipment and do force measurements on snow.

Innehållsförteckning

1. Inledning ... 1

2. Teori ... 3

2.1 Regler ... 3

2.2 Längdskidåkning och stakning ... 3

2.3 Dämpingsmekanismen ... 6 2.4 Ergonomi ... 8 2.5 Fysiologi ... 11 2.6 Tillverkning ... 13 3. Metoder ... 15 4. Genomförande konceptframtagning ... 18 4.1 Analys ... 18 4.2 Marknadsanalys ... 22 4.3 Experience prototyping ... 25 4.4 Konceptframtagning handtag ... 26 4.5 Konceptförbättring handtag ... 31 4.6 Konceptframtagning kontrollrem ... 31 4.7 Konceptförbättring kontrollrem ... 36

5. Genomförande för mätning av stavkrafter ... 37

5.1 Förberedelser ... 37 5.2 Kalibrering ... 38 5.3 Försök ... 39 6. Slutliga resultat ... 47 6.1 Handtag ... 47 6.2 Kontrollrem ... 49 6.3 Stavkrafter ... 50

7. Utvärdering och rekommendation ... 55

7.1 Handtag ... 55

7.2 Kontrollrem ... 55

7.3 Stavkrafter ... 55

8. Diskussion ... 57

Bilagor

Bilaga I ... 5 sidor Enkätundersökning skador

Bilaga II ... 5 sidor Enkätundersökning kontrollremmar

Bilaga III ... 2 sidor Utvärdering handtagsform 3d-utskrift

Bilaga IV ... 1 sida Bild av slutligt handtag

Bilaga V ... 2 sidor Workshop kontrollrem

Bilaga VI ... 6 sidor Försöksplan för mätningarna

Bilaga VII ... 2 sidor Beräkningar för dämpningssystem

Bilaga IIX ... 5 sidor Tillverkning av testrigg

Bilaga IX ... 1 sida Offert mätutrustning

Bilaga X ... 11 sidor Mätvärden och plotter från mätning av stavkrafter

Bilaga XI ... 1 sida Kod för Matlab

1

1. Inledning

Intresset för motionslopp ökar från år till år och är en fortsatt växande trend. Vasaloppet är ett av Sveriges största motionslopp med 15800 deltagare år 2013. Inför 2014 års vasalopp såldes alla 15800 platser på 8 minuter vilket är nytt rekord, aldrig tidigare har loppet sålt slut så fort.[1] I takt med ökat skidintresse och varmare klimat blir rullskidor, åtminstone i södra delen av Sverige, sannolikt en än mer populär träningsform framöver.

Med rullskidåkning följer dock en del problem. Till skillnad från vanlig skidåkning sker rullskidåkning på asfalt istället för snö, och till skillnad från snö är asfalt hårt. Hårt underlag deformeras mindre och genererar följaktligen större krafter. Dessa stora krafter är sannolikt orsaken till att utövare får skadeproblem. För att minska problemet har Elpex tagit fram en prototyp på en mekanism som syftar till att reducera krafter. Min uppgift i projektet är att ta fram ett handtag med konrollrem anpassat för detta, samt undersöka mekanismens dämpande effekt. Detta projekt är en avslutande del i min civilingenjörsutbildning inom Teknisk design och uppgiften är en sista del före examen.

Att jag valde detta projekt beror på att jag har ett stort intresse för skidåkning i allmänhet. Jag har på senare tid börjat åka mycket längdskidor och att välja ett projekt som behandlar ett fritidsintresse kändes som ett givet val. Jag har denna vår deltagit i tre längre motionslopp och totalt avverkat ca 100 mil på skidor för att få bättre insikt i problemet.

1.1 Syfte och mål

Syftet med projektet är att undersöka skadliga stavkrafter vid rullskidåkning och hur dessa kan reduceras.

Målet är att utveckla och designa ett stavhandtag anpassat för en dämpningsmekanism som reducerar skadliga stavkrafter vid rullskidåkning. Stavhandtaget inkluderar även kontrollrem som ska vara ergonomisk och distribuera kraften från händerna till staven. Som komplement till detta kommer mätningar som visar på dämpningens funktion att göras.

1.2 Bakgrund

2 Följande frågeställningar har jag som mål att besvara;

- Hur många är det som upplever problem vid rullskidåkning och vad beror det på? - Vilka problem finns med dagens kontrollremmar och hur kan de åtgärdas?

- Hur anpassas ett handtag på ett optimalt sätt till dämpningsmekanismen?

- Krafterna vid stakning, hur stora är de, hur ter de sig, under hur lång tid verkar de och hur ändras de med dämpningssystemet?

1.3 Krav

För att uppnå målet sattes i början av projektet ett antal grundkrav för handtaget. - Handtaget ska vara ergonomisk för alla händer mellan 5e och 95e percentilen - Handtaget ska ge bra stöd mot stavröret

- Handtaget ska klara av de krafter som uppstår under rullskidåkning - Handtaget ska ha fästanordning för kontrollrem

- Handtagets greppyta ska vara klätt i greppvänligt material - Handtaget ska ha en tilltalande formgivning

- Handtaget ska vara klart i månadsskiftet Mars/April

1.4 Avgränsningar

Examensarbetet kommer att innebära utveckling till ett produktionsklart handtag som ska vara på marknaden till sommaren 2013. Kontrollremmen kommer dock att begränsas till enbart ett konceptförslag. Arbetet kommer inte inkludera kostnadskalkyl eller marknadsföring av produkten.

1.5 Målgrupp

3

2. Teori

I detta avsnitt beskrivs olika teoretiska fakta som tillämpats i projektet. Först behandlas regler och sedan vidare om hur teorin bakom längdåkning och stakning ser ut. Efteråt följer teori bakom dämpning, ergonomi och fysiologi. Slutligen beskrivs kort om hur tillverkning av handtag och kontrollrem sker.

2.1 Regler

Det är viktigt att känna till vilka regler som gäller för skidtävlingar eftersom de kan påverka utformning och funktion. En av reglerna från FIS regelbok gällande specifikation av tävlingsutrustning lyder enligt följande och ger ett snabbt avgörande. Reglerna gäller även för rullskidåkning [2],

“The pole must not create a foreign energy to favour push-off (e.g. springs or mechanical devices)” [3]

Således är dämpningsmekanismen inte tillämpbar i tävling utan enbart för motionärer.

Andra tävlingsregler blir därmed snabbt ointressanta såvida inte detta kan bevisas med mätdata.

2.2 Längdskidåkning och stakning

Vid klassisk längdskidåkning används huvudsakligen tre åktekniker [4] Dessa tillämpas även vid rullskidåkning.

Diagonalåkning

Används i lätta uppförsbackar och liknar mest vanlig gång eller jobbteknik. Armarna pendlar fram och tillbaka samtidigt som tryck tillsätts med höften i varje steg.

Stakning

Denna teknik utövas oftast på platta eller svagt nedåtsluttande sträckor. Det går ut på att stavarna sätts ner långt fram, en stor del av vikten läggs på båda stavarna samtidigt som kraft appliceras sig framåt.

Stakning med frånskjut

4

Det görs mycket idrottsforskning inom just längdskidåkning eftersom det finns så många parametrar att undersöka. I rapporten ”Biomechanical Analysis of Double Poling in Elite cross-country Skiers”[5] undersöks dubbelstakningsteknik i syfte att få bättre förståelse för tekniken. En del i undersökningen gick ut på att mäta kraften i staven med avseende på tiden vid dubbelstakning. Undersökningen identifierade två typer av åkstilar, varav en utövades av mer avancerade åkare (strategy A). I avseende stavkraft visade det sig att båda åkstilarna precis i början av stakcykeln har en brant krafttopp som sker inom de första 20

millisekunderna, varefter kraften minskar för att sedan öka igen efter 50ms.(Figur 1) De duktigare åkarna utvecklar en större kraft efter islaget. Stavcyklerna från denna

undersökning är i genomsnitt ca 0,3s. Det syns också att krafterna uppgår till uppemot halva kroppsvikten vilket ger en uppfattning om vilka krafter det handlar om.

5

Vid stakning sker flera mekaniska energiövergångar och ett sätt att se på dessa är genom rörelsemängd och impuls.

Rörelsemängd är produkten av ett objekts massa och hastighet (ekv.1)

(1)

Om inga yttre krafter påverkar kommer rörelsemängden i ett system vara konstant.

Tillförs en kraft kommer rörelsemängden att förändras. Hur stor förändringen blir beror på tiden, kraftens magnitud och riktning. Denna förändring i rörelsemängd kallas impuls och är produkten av kraften och tiden (ekv 2och 3) [6]

(2)

Impulsen ges av integralen av kraften med avseende på tiden(4).

∫ (3)

Detta är användbart att känna till för att göra analyser och beräkningar av exempelvis en F(t)-graf som figur 1 där impulsen motsvarar arean under plotten.

6

2.3 Dämpingsmekanismen

Nedan följer en beskrivning av hur dämpningsmekanismen fungerar i dagsläget och kort vad som är fördelaktigt. I figur 2 nedan illustreras vart dämparen placeras samt förklaringar. Dämparen illustreras som en cylinder.

Figur 2; Visar dämparmekanismens placering. Måttet anger hur mycket mekanismen förlänger staven.

Dämpningsmekanismen är placerad mellan stav och handtag och består av en cylindrisk elastomer med en axel igenom. Vid belastning av staven komprimeras elastomeren axiellt vilket skapar en motkraft som dämpar förloppet. Eftersom det rör sig om en elastomer blir både motkraft och dämpning större ju mer det komprimeras. Det finns inte heller någon stum och tvär gräns när dämpningen upphör helt, motsvarande när en fjäder bottnar. Det som begränsar är när elastomeren expanderar radiellt till dess att diametern tangerar den inre diametern i handtaget vilket direkt sätter stopp för kompressionen. Dämpningsförloppet ska enligt Elpex vara väldigt fördelaktigt för dämpning av stavkrafter. Tack vare att mekanismen

Stavrör Kavitet

7

befinner sig inuti handtaget kommer inte den extra massan den medför att störa särskilt mycket.

8

För att få en bättre förståelse för hur dämpningen fungerar kan den teoretiskt delas upp i en fjädrande och en dämpande del. (Figur 3). Fjäderkraften är proportionell till hoptryckningen medan dämpningen är proportionell till hastigheten [8]. Med beräkningar som återfinns i bilaga VII fås följande ekvation för kompressionsförloppet.

( ) ₍₄₎

Ekvationen beskriver kompressionen x som en svängning där amplituden är avtagande med tiden. Symbolen w står för vinkelfrekvens och för vinkelföskjutning.

Symbolen ”b” är dämpningskonstanten och den ger en indikation för dämpningens karaktär. Dess kritiska värde är √ där k är fjäderkonstanten och m massan som appliceras.

Är √ är det kritisk dämpning och systemet återgår till sin utgångsposition utan att oscillera.

Är b > √ är systemet överdämpat vilket innebär att det återgår till sitt ursprungsläge fast mer långsamt.

Samma gäller när b< √ och systemet är underdämpat och oscillerar mera.[5] Fördelaktigt för dämpningen är ett kritiskt eller överdämpat system.

X

Fdämpare Ffjäder

9

2.4 Ergonomi

För att handtaget och kontrollremmen ska ligga skönt i handen och vara anpassat efter olika handstorlekar är det viktigt att ha grundläggande ergonomi och antroprometriska mått i åtanke.

Ett problem med handredskap är att de ofta är för små vilket skapar ett högt tryck. Trycket i handen får ej överskrida 196 kPa [9]. Stödet mot handen måste alltså vara tillräckligt brett för att undvika skador. Vid design av handgrepp ska följande tas i åtanke

 Krav på precision och styrka

 Vem som ska använda det

 Verktygets tyngd

 Handens storlek

Nedan följer antropometriska data hämtad från Jacobs,K. 1999 [10]

Tabell 1; Visar mått på olika handstorlekar.

Män Kvinnor

Dimension [cm] Bildreferens 5te perc. 95te perc. 5te perc. 95te perc. Handlängd 1 17.3 20.5 15.9 18.9 Handflata längd 2 9.8 11.6 8.9 10.5 Handbredd 3 7.8 9.5 6.9 8.3

Handbredd över tummen 4 9.7 11.4 8.4 9.9

Maximal greppdiameter 5 4.5 5.9 4.3 5.3

Handtjocklek 6 2.7 3.8 2.4 3.3

10

Krafter

Uppskattningsvis sker stakningen mellan 50-75% av gripavståndet och mellan 30 och -60 grader enligt figuren nedan. Vid stakning är det dock mycket dynamik och andra vinklar det handlar om. Likaså använder skidåkaren hela bålen och egentyngden för att tillföra kraft vilket dessa data in tar hänsyn till. Detta kan dock fungera som en grov uppskattning och ger en maximal vertikal kraft på 338N. Detta baseras på 30 graders vinkel och 50% gripavstånd enligt tabell 2 nedan.Värdena nedan från Ergonomiska data för konstruktörer [6].

Tabell 2; Visar tabell över de maximala krafterna utifrån vinkel och precent av gripavståndet.

11

2.5 Fysiologi

Skidåkning är som många andra sporter beroende av teknik. För att uppnå god teknik krävs samverkan mellan muskler på ett korrekt sätt. I detta stycke behandlas enkel motorik och fysiologi som kan vara intressant att ha i åtanke vid analys av stavkrafter. Därefter följer kort om idrottsskador.

Rörelse och motorik

Varje rörelse vi gör består oftast av ett samarbete mellan flera olika muskler som var och en utför ett specifikt arbete. Det finns fem olika typer av roller som musklerna kan anta:

 Agonist – huvudansvarig för rörelsen.

 Synergist – muskler som medverkar till och understödjer rörelsen

 Neutralisatorer – muskler som förhindrar oönskat muskelutslag

 Fixatorer – fixerar rörelsen för agonisterna

 Antagonister – motverkar agonistens rörelse genom att sträckas ut

När en rörelse utförs sker det kortfattat med hjälp av signaler från hjärnan som i sin tur fått feedback från sinnena. Det är neurologiskt sätt inte möjligt att ha medveten kontakt med varje enskild muskel och en stor del av motoriken sker helt enkelt utifrån resultaten som ska uppnås. Till exempel staka för att komma framåt. Det finns skillnader mellan grov- och finmotorik där grovmotoriken innebär att fler muskler aktiveras per nervimpuls.

Sett i förhållande till omgivningen påverkas rörelser och handling av de som sker runt omkring. Rörelserna kan påverkas om förutsättningarna ändras, till exempel om det är is eller asfalt på gångbanan, eller snö respektive asfalt under skidorna. Detta innebär att motoriken kan justeras och optimeras beroende på situation. För detta finns det olika kommandosystem som preciserar det som ämnas utföras med handlingen. Ett av dessa system kallas jämförelsesystem och i det utnyttjas individens motoriska erfarenheter. Systemet bygger på att ett s.k. feedback- och feedforwardsystem samverkar. Forwardsystemet skickar en rörelseberedskapssignal till musklerna som hela tiden är anpassad efter omständigheterna och hur individen förväntar sig att förhållandena ser ut. Vid rörelse får forwardsystemet ny feedback som baseras på rådande förutsättningar, detta jämförs med tidigare input och rörelsen justeras därefter. Denna konstanta kommunikation mellan feedback och feedforward resulterar i ett optimerat rörelsemönster och nästa gång samma förutsättningar ges så har nervsystemet ärvt erfarenheterna och är mer optimerat redan från början. Denna för nervsystemet inbyggda drivkraft spelar en viktig roll för inlärning av nya rörelsefärdigheter[11].

Vid en stakcykel samverkar i hög grad olika muskler för att genomföra rörelsen. I detta fall används musklerna till stor del för att dämpa olika rörelser vid nedslag och fråntryck. Dock är reaktionsförmågan begränsad och vid snabba förlopp hinner inte dessa system gå in innan det är för sent vilket kan medför skada enligt Ulrik Röijezon1.

i

12

Idrottsskador

Idrottsskador kan ske på många olika sätt. Nedan beskrivs vad som innebär akuta skador respektive överbelastningsskador.

Akuta

Den akuta typen av skador är om våld skadar någonting i kroppen. Det kan vara vid fall eller vrickning. Det uppstår då i många fall en blödning på det skadade stället.[10]

Överbelastning

Vid långvarig nötning slits till slut muskler och muskelfästen ut. Det kännetecknande för överbelastningsskador är att de uppkommer vid monoton träning under lång tid utan tid för återhämtning. Faktorer som kan spela in är exempelvis snabb ökning av träningsdos, ny utrustning och tidigare skador. Senor är ofta drabbade när det handlar om överbelastning och blir snabbt försvagade och smärtande. De anpassar sig inte särskilt fort till träning vilket är en orsak. De hinner inte återhämta sig mellan träningspassen och små vävnadsskador blir större tills en större skada är ett faktum. Smärtan kommer stegvis. Kännetecknande är att smärtan uppkommer innan musklerna är varma och även efter en stunds arbete. För att reducera besvären är det viktigt att variera träningen och inte nöta på samma rörelse för länge.[12] Applicerad på projektet är dessa olika skadetyper som skulle kunna uppträda och av intresse för att förstå vad som skulle kunna vara orsaken till skadeproblemen. Stakning är typisk monoton träning utan vila.

Armbågsskador

Armbågssmärtor uppträder mestadels på samma ställe som skadan inträffat, men vid exempelvis s k tennisarmbåge kan smärtan stråla ända ner i fingrarna . Om skadan skett i leden finns risk för att armbågen värmer och svullnar upp. Den vanligaste orsaken till armbågssmärtor är överansträngning eller upprepat utförande av en ovan rörelse.

Den vanligaste diagnosen vid armbågsbesvär är tennisarmbåge som tilldelas 9 av 10 personer och uppträder på armbågens utsida. Detta tillstånd kan vara långdraget och jobbigt. Orsaken är ofta en smärtande ärrvävnad i ett inflammerat muskelfäste på utsidan av armbågen. Detta uppstår efter rörelser som innebär att handleden böjs uppåt. Vid svåra besvär finns risk att smärtan kan stråla ner i handryggen och ringfingret. Det kan då också vara svårt att greppa saker. Om motsvarande symtom uppträder på insidan av armbågen brukar man tala om golfarmbåge

13

2.6 Tillverkning

Vid konceptframtagningens senare skeden är det av stor vikt att ta hänsyn till möjligheten att tillverka. Därför har följande tagits i åtanke.

Handtag

Handtaget kommer att formgjutas vilket innebär att handtaget kommer att få en delning som går parallellt med stavröret.

Material

Polyeten är en vanligt förekommande termoplast bestående av kol och väte. Det finns låg- och högdensitetspolyeten (LDPE och HDPE). Den sistnämnda tillverkas vid lågt tryck varför kolvätekedjorna blir raka, tätpackade och styvheten ökar. Densiteten skiljer sig dock inte mycket mellan dessa två som ligger mellan 0.91 och 0.96 g/cm3. Som material i handtaget är HDPE rekommenderat eftersom LDPE är mycket mjukt och lämpligt för exempelvis plastpåsar.[14] Handtagets greppyta ska vara klätt i ett greppvänligt material. I dagens handtag används vanligen kork eller gummi.

Släppvinkel

För att handtaget ska släppa från verktyget krävs några graders släppvinkel vinkelrätt mot stavröret. I denna applikation krävs ingen stor släppvinkel då formen är har en svängd form. En släppvinkel på minst 1 grad är rekommenderad enligt Elpex.

Godstjocklek

Godstjockleken spelar stor roll för hållfastheten hos materialet. I fallet handtag gäller det att hitta en avvägning mellan hållfasthet, vikt och komfort.

Krympning

När plasten efter gjutning stelnar kommer den också att till viss del krympa. Hur mycket den krymper beror på formens geometri och krympningen kommer bli större vid partier med tunnare godstjocklek. Detta tar dock verktygsmakaren i detta fall hänsyn till och är inget som behöver kompenseras för i CAD-modellen.

Toleranser

14

Kontrollrem

15

3. Metoder

Här beskriver jag kort olika metoder som använts under projektets gång. När och hur de använts framgår i avsnitt 4, genomförande.

Brainstorming

En traditionell metod som används för att väcka nya idéer. Metoden innebär att man enkilt eller i grupp söker nya lösningar på ett specifikt problem. I arbetet skedde det främst med hjälp av skisser under olika faser i projektet för att snabbt ta fram mycket material.

Benchmarking

Benchmarkning är en metod för att mäta undersöka marknaden och mäta sig mot denna. Användes för att få en uppfattning om vilka liknande produkter som finns på marknaden och hur den egna produkten står står sig mot dessa. Det utfördes även praktiska test för att själv få en uppfattning om problemet.

Skissteknik

En metod för att snabbt illustrera en idé. Användes flitigt under flera faser i produktutvecklingen.

Personas

Personas är en lämplig metod för att få en bra överblick kundgruppen som produkten vänder sig till. Den går ut på att ett antal fiktiva personer tas fram som sedan kan användas för att till exempel få nya ideér eller utvärdera koncept. Användes för att tidigt få överblick över vilka som kan tänkas använda produkten.

Enkätundersökning

För att få kvantitativ analys med många anonyma svar är enkätundersökningar ett bra verktyg. Genom att nå ut till många utövare i den relativt smala målgruppen som produkten vänder sig till kan man snabbt få värdefull input om kundgruppens tankar som hade varit mer besvärlig att få tag på annars. Används eftersom det var det bästa sättet för att nå målgruppen.

Prototyptillverkning

- Rapid prototyping

16 - Prototyp kontrollrem

För att kunna utvärdera koncept på kontrollremmen är prototyptillverkning ett bra verktyg för att känna hur den ligger i handen. Tyg, nål och tråd användes för att tillverka prototyper av tyg. Det är inga svårigheter att montera remmen på ett par stavar och utvärdera praktiskt. Användes för att kunna utvärdera koncepten.

Lermodell

För att bygga upp en modell där det är möjligt att kunna justera formen i efterhand är lera användbart. Lera kan med fördel även appliceras på befintliga modellen för att bättra på formen. Detta är fördelaktigt för att utvärdera handtagsergonomin.

Konceptutvärdering

För att utvärdera koncept kan olika kvalitativa metoder användas. Exempelvis att försökspersoner med skidåkarbakgrund testar vissa koncept och utvärderar dem efter olika aspekter. Utvärdering kommer främst att ske i samverkan med Elpex.

Intervjuer

Intervju är en metod som går ut på att en specifik person tillfrågas för att få fram kvalitativ inoformation.Under arbetet utfördes intervjuer med personer erfarna inom olika områden. Intervjuerna skedde med ett antal förutbestämda frågor som besvarandes varefter diskussioner skedde därikring. Detta skedde under olika delar av projektet med olika personer.

FEM-beräkningar

En FEM-analys är viktig för att få en initial bild av en komponents hållfasthet. FEM-analyser motsvarande verkliga scenarion togs fram. Programmet som användes för detta var Siemens NX 8.5

Workshop

En workshop planerades och utfördes i syfte att få input till vidare konceptutveckling. I bilaga V följer en plan över workshopen.

Mätningar av stavkrafter

17

Angående utförandet är det en förutsättning att rullskidåkningen kan ske så naturligt som möjligt. Det som är intressant är hur kraften ser ut vid naturlig åkning och inte under ändrade förutsättningar som stör åkaren. Likaså ska åkningen ske i en naturlig miljö, utomhus och på asfalt. Det är även önskvärt att mäta stavkrafterna på snö. Det är från det intressant att undersöka hur krafter och åkteknik skiljer sig mellan snö och asfalt. Likaså ifall tekniken från snö kan tillämpas vid åkning på dämpad stav.

Utformning av testrigg

För att mätningarna ska ske utan att störa åkaren utformas testriggen på så vis att den gör så lite åverkan på den befintliga utrustningen som möjligt, den ska helst inte märkas av. Det som är viktigt att ha i åtanke vid utformningen är också att eliminera så många felkällor så möjligt och samtidigt inte äventyra hållfastheten. Utrustningen måste utan problem stå emot krafter som kan uppkomma vid rullskidåkning och eventuella olyckor.

Bearbetning av mätdata

För att samla in data används anpassad mätutrustning som mäter krafter med avseende på tiden. Från mätutrustningen kommer mycket data genereras och det kommer behövas något smidigt sätt för att välja ut relevant data utifrån rådatan. Matlab används för detta syfte. Hanteringen av datan sker i Microsoft excel där även analys och beräkningar sker. En medelkurva beräknas och mätvärdenas spridning som är förankrat till mätningens relevans analyseras med standardavvikelse.

Experience prototyping

18

4. Genomförande konceptframtagning

I detta avsnitt redogörs ingående hur arbetsprocessen sett ut vilket innefattar tillvägagångssätt och delresultat. Inledningsvis redogörs för hur analysen utförts. Därefter följer utvecklingsprocessen av både handtag och kontrollrem. För att se ett schema över arbetsprocessen, se bilaga XII

4.1 Analys

I detta avsnitt redogörs hur analys av längdskidåkning, skadeproblem och fysikaliska samband utförts.

Enkätundersökning

För att få data på hur stort problemet med skador är utformades enkäter. Enkäterna utformades på hemsidan www.surveymonkey.se och skickades ut till ett forum för längd- och rullskidåkare (www.skidforum.se). Nedan följer en sammanfattning om vad som kom fram från de olika enkäterna. För fullständigt resultat med frågorna och alla kommenterar se bilaga

I och II

 Skador vid rullskidåkning

En enkät gällande idrottsskador skickades ut i syfte att analysera kundgruppens eventuella skador. Denna gav följande resultat.

66 % av de tillfrågade angav att de haft problem med skador eller smärtor i överkroppen i samband med rullskidåkning. Av dessa var det 77 % som har problem med smärtor i armbågarna.

En av de tillfrågade angav även att han eller hon får problem ”mot slutet av September när det blev lite kallare och asfalten började bli hård”2. Att det finns ett samband mellan stavisättning rullskidåkning och armbågssmärtor är därmed tydligt.

 Kontrollremmar

En enkät skickades även ut angående kontrollremmar. Syftet med den var att få input på vilka problem som finns med dagens remmar.

Av de tillfrågade angav 66 % att de haft problem med sina kontrollremmar. En del uppgav problem med blåsor i händerna och andra att de får tryckskador på både övre och nedre delen av handen. Det uppges även problem med att remmen glider ur sitt läge vilket skapar en icke ergonomisk position av remmen.

På frågan om den optimala kontrollremmen framkom förslag om att den ska sitta tight, inte glida upp och ge ett bra stöd för handloven

i

19

Stakningsfasen

I avseende stakning och stavkrafter kan sambanden från teoriavsnitt (2.2 Längdskidåkning och stakning) utnyttjas enligt följande.

Vid stakning har staven en viss hastighet när den går i backen. Eftersom både staven, armen och kroppen har en massa så får allting en rörelsemängd som sammantaget är riktad mot åkriktningen. Kraften som krävs för att föra skidåkaren framåt skapas när staven går i marken. Staven kommer att minska sin hastighet vilket innebär att rörelsemängden kommer att förändras. I enlighet med ekvation 3 kommer det alltså ske en impuls och följaktligen motkraft när staven går i backen. Hur stor kraft som utvecklas vid nedslaget beror enligt ekvation 4 på hur lång tid som rörelsemängdsförändringen sker. Ett mjukt underlag kommer att deformeras under denna fas vilket gör att tiden ökar och kraften minskar. En viss del av rörelsemängden kommer dock att gå förlorad i underlaget. Det fungerar som en dämpning. Ett hårdare underlag ger större kraft och alltså en högre acceleration enligt ekvation 5.

(5)

Dock är inte kraften som överförs i staven riktad i rörelseriktningen utan den delas upp i en horisontell och en vertikal kraftkomposant.

Från figur 4 fås följande samband

Figur 4; Visar en enkelt friläggning av en skidåkare under stakning

20

På skidåkaren verkar hela tiden en friktionskraft (Fµ) som enkelt kan delas upp i luft-

respektive glidfriktion. Luftfriktionen ökar med ökad hastighet, glidfriktionen är mer komplex och beror mest på underlag och belag. För rullskidor är glidfriktionen mer kontrollerbar tack vare hjulen som är utbytbara. Till skillnad från längdskidor är inte så låg glidfriktion som möjligt önskvärd utan ett visst motstånd eftersträvas. Dels för att få mer skidlik känsla och även ur säkerhetsaspekt. Tävlingshjul har lägre motstånd.

Den horisontella komposanten bidrar till att direkt föra åkaren framåt medan den horisontella lyfter åkaren och dennes tyngdpunkt. Deras förhållande till varandra förändras under stakfasen och är beroende av stavens vinkel mot underlaget som ständigt ändras under cykeln. I och med åkaren står framåtböjd kommer tyngdpunkten att flyttas både framåt och uppåt med kraftens hjälp. Detta bidrar till att normalkraften från underlaget minskar och följaktligen även friktionen. Likaså hjälper tyngdpunktens förskjutning till med att driva åkaren framåt. Kort sagt förs åkaren framåt på ett komplext vis som jag väljer att inte analysera vidare. Det intressanta i sammanhanget är hur stora krafter som uppstår vid stakning och hur stor impuls varje stavcykel tillför åkaren.

Om stakningen relateras till skidlik känsla så är det även av stort intresse att undersöka hur krafterna ser ut på snö jämfört med asfalt och huruvida dämpningsmekanismen kan efterlikna krafterna på snö.

Från undersökningen angående stavkrafter ”Biomechanical Analysis of Double Poling in Elite cross-country Skiers”[5] kunde det efter diskussion med Johan Öberg, uppdragsgivare på Elpex, och universitetslektor i hälsomedicin Ulrik Röjezon3 konstateras att det med högst sannolikhet är den tydliga kraftspiken i början av cykeln som är den skadliga och den som bör reduceras.

Om stakfasen delas upp i två delar skulle den första kunna benämnas isättningsfasen(IF) och den andra påtryckningsfasen(PF). Kraften i början kommer snabbt och med stor magnitud vilket inte kroppen är beredd på under den korta tiden. Det blir som en smäll. Det intressanta är att de ”duktigare” åkarna i denna undersökning har en betydligt lägre topp än de andra. Det hänger sannolikt samman med att dessa åkare har utvecklat en teknik för att minska nedslagskraften för att minimera risken för slitage av kroppen. Dessa åkare har också en större maximal kraft. Undersökningen ”Biomechanical Analysis of Double Poling in Elite cross-country Skiers” utfördes på kraftplattor som har en, jämfört med asfalt, ganska mjuk yta. Krafterna på asfalt bör rimligtvis ge en tydligen kraftspik medan den på snö kommer vara mer utjämnad. En kraftplatta är en platta med kraftceller monterade undertill som mäter kraften som appliceras på plattan. Kraftplattorna var placerade framför en ramp. Åkaren tog fart i rampen och tryckte ifrån med båda stavarna i kraftplattorna när denna passerade dessa.

Det som var intressant var att se var kurvans karaktär, vilka krafter det handlar om och hur lång tid det varar. Det som är målet med dämpingen är att eliminera kraftspiken i början utan att förändra karaktären på kurvan under påtryckningsfasen. Det är också viktigt att ingen energi går förlorad. Det är även av intresse att se ifall tekniken med dämpad stav skiljer sig mot odämpad.

i

21

Personas

För att få en bättre insikt i åt vilka produkten vänder sig kan det vara fördelaktigt att använda sig av personas. Nedan följer fyra olika personas som skulle falla in i den specifika

målgruppen.

 Ove

Ove är 53 år gammal och har åkt mycket längdskidor under sina år. På sommaren kör Ove rullskidor tre gånger i veckan och håller sig i form. Ove har på senare tid fått problem med sina leder i både knän och armbågar och drar sig därför emellanåt från att åka eftersom han får skadebesvär. Han är i behov av något som minskar stötar och smällar och därmed minimerar risken för skador.

 Lennart

Lennart är 38 år gammal och bosatt i Helsingborg. Lennart gillar att träna, tränar fem gånger i veckan och har kört vasaloppet tio gånger. De milda vintrarna i södra Sverige gör det dock inte möjligt att få så många mil på snö utan det är rullskidor större delen av året som gäller för Lennart. Han är väldigt prylintresserad och vill gärna hålla sig uppdaterad med det absolut senaste på marknaden. Han är också mån om att äga detta.

För att hålla sig uppdaterad tillbringar han också mycket tid på olika skidforum.

 Anneli

Anneli är 25 år gammal och har tidigare gått på skidgymnasium. Hon har således kört många mil på rullskidor under sommarsäsongen. Nu tränar hon flitigt skidåkning på motionsnivå, både sommar som vinter. Hon har tidigare fått problem med smärta i armar när hon kört rullskidor och har därför ett par mjukare stavar för just detta ändamål. Då hon åkt mycket skidor vet hon hur mycket kraft som går förlorad med ett par mjuka stavar. Detta har medfört att hon tappat motivationen att åka under barmarkssäsongen.

 Robin

22

4.2 Marknadsanalys

Marknadsanalys utfördes genom att kolla på internet och i böcker efter produkter som ska reducera problem vid stakning under skidåkning.

Det finns lite olika varianter på konstruktioner som ska vara mer ergonomiska och minska skaderisken vid stakning. Det finns också specialstavar som ska utveckla mera kraft genom att delvis ändra tekniken.

Staffanstaven

Bygger på att en fjäder är placerad precis under handtaget. Fjädern kan fås i olika hårdheter. Skonsammare gång och bättre asfaltsfäste. Nackdelen är att kunden måste skicka iväg staven för att få den ombyggd med dämpare, vilket inte är omvändbart.[15]

Kraftstaven

En stav som har en böj längst upp på staven som enligt de själv ska ge bättre kraft och samtidigt reducerar slitage på kroppen. Enligt en undersökning vid Gymnastik- och Idrottshögskolan i Stockholm gav kraftstaven 13 % större kraft och ett annan kraft-tid diagram jämfört med en motsvarande ordinär stav.

Kraftstaven finns i två olika varianter, CE27 och CE12 som betecknar vinkeln mot den raka delen av staven. Den förstnämnda är mer anpassad för motionärer och den senare åt elitåkare med hög stavfrekvens. CE27 ökar stavlängden mer än CE12an.

Den 27-gradiga vinkeln i CE27 gör att handleden hålls rak trots längden och triceps och axlar avlastas vilket minskar skaderisken. Kraften fås istället i större omfattning ifrån ryggen vilket ger en större kraft. Detta förutsätter också att tekniken delvis förändras

[16](Figur 5).

Figur 5; Krafstaven modell CE27. (www.kraftstaven.se)

Exel fjädrande stavspets

23

Kuzmin-Alate grip

Detta är ett handtag som bygger på principen att åkaren genom att använda handens muskler i stakningen kan få ut mer kraft under längre tid eftersom fler muskler totalt sett är aktiverade. Tummen placeras på de utstickande flärparna enligt Figur 6 där enligt Kuzmin 95-100% av kraften ska överföras[18]

Figur 6; Kuzmin Alate grip. Bildkälla: www.kuzmin.se

Kontrollremmar

Syftet med handledsremmarna är att fördela kraften från armarna till staven och att styra staven rätt i handen. Dagens remmar fungerar genom att kraften överförs via nedre delen av handen. I princip all kraftöverföring sker via kontrollremmen och detta är en väsentlig del av stakningen.

24

Figur 7; Visar en kontrollrem från Swix. (Foto: Erik Thorsell)

25

4.3 Experience prototyping

För att själv få en bättre bild av dagens handtag och handledsremmar genomfördes tre långlopp i syfte att upptäcka problem och svagheter med marknadens produkter.

Följande lopp genomfördes med specificerad utrustning:

 Vasaloppet – öppet spår

Plats: Sälen - Mora Datum: 24 februari Distans: 90 km Stil: Klassisk

Handtag och handledsrem: Swix

 Bothnialoppet

Plats: Luleå - Piteå Datum: 9 mars Distans: 63 km Stil: Skejt

Handtag och handledsrem: Skigo Pölder

 Dundret Runt

Plats: Gällivare Datum: 23 mars Distans: 47 km Stil: Klassisk

Handtag och handledsrem: Swix handtag. Skigo kontrollrem.

26

4.4 Konceptframtagning handtag

Det Elpex ville ha levererat var ett handtag med ritningsunderlag och bestämda mått. Av den anledningen skedde konceptgeneringen främst direkt i datorstödd programvara varefter de utvärderades av Elpex för vidare konstruktion.Vid konceptgeneringen var följande kriterier viktiga och koncepten gjordes med dessa i åtanke. Detta var beslut som togs av både av mig själv i samförstånd med Elpex.

- Kaviteteten där staven ska sitta ska vara så lång som möjligt för att ge bra med stöd mot staven. Eftersom handtaget kommer röra sig längsmed stavröret är det viktigt att denna sträcka är längre jämfört med ett vanligt handtag för att det inte ska upplevas instabilt.

- Den totala längden på handtaget får inte vara alltför mycket längre än dagens handtag för att inte upplevas klumpigt.

- Släppvinkeln måste överstiga 1 grad från speglingsplanet. - Handtaget ska ha en försänkning på minst 1.5mm för korkgrepp Arbetet skedde i Autodesk Alias och Siemens NX.

Konceptfas ett

Det inledande konceptet (nederst i Figur 10) baserades delvis på ett befintligt handtag som elpex modifierat (här utan försänkning). Designen var inte särskilt intressant och kaviteten var för kort. Eftersom det kommer att vara en dämpningsmekanism i staven så förkortas anläggningsytan mot staven i handtaget och kaviteten måste därför utökas för att ge ett gott stöd mot stavröret.

27

Nästa koncept (överst i figur 10) gjordes längre, dock ändrades toppvinkeln för att förkorta totallängden något. För att kunna öka kaviteten så flyttades utgröpningen för

handledsremmen upp en aning. Kavilteten var i detta koncept 10mm längre. Efter diskussion med handledaren på Elpex beslutades att detta koncept var redo att utvärderas närmre med avseende på design och ergonomi. För detta syfte skrevs en tredimensionell utskrift ut på LTU. Figur nedan visar utskriften som gjordes.

Efter att handtaget skrivits ut i tredimensionell rapid prototyping modell kunde det utvärderas med avseende på form, ergonomi, mått och känsla i handen. Handtaget fick en mer realistisk form genom att lera applicerades i försänkningen avsedd för detta (Figur 11)

Tio testpersoner med viss skidåkarbakgrund utvärdera konceptet där greppytan var belagd med lera. Resultatet från undersökningen återfinns i bilaga III.

Dessutom utvärderades det av uppdragsgivaren Johan Öberg från Elpex som direkt gav synpunkter på vad som skulle ändras inför nästa koncept.

Slutsatser från detta som drogs inför konceptfas två var följande;

- Handtaget känns för långt och klumpigt och måste få ett smidigare utseende

- Handledsremmen ligger på ett sådant sätt att handen hamnar för högt upp på handtaget vilket känns obekvämt. Pekfingret hamnar vid kanten mellan försänkningen vilket medför risk för skav.

- Låsningsklossen för handledsremmen är för stor och måste minskas för att kompensera för remtjockleken

- Tjockleken är ordentligt tilltagen, åtanke bör tas åt vilken kundgrupp som efterfrågas. Ett handtag för motion eller tävling

28

Konceptfas två

Denna fas inleddes med en del skissning där silluetten av det föregående handtaget ritades av och skrevs ut mycket tunt på A4. Med det som utgångspunkt testades olika koncept för att snabbt få en uppfattning om hur handtagsformen ändras med bara vissa små justeringar. I figur 12 nedan visas de koncept som föreföll mest intressanta. Den stora förändringen är att nederdelen smalnar av där den övergår mot staven vilket ger ett betydligt mer enhetligt intryck. Handtaget blir mer som en del av själva staven. Olika former på urfasningen undersöktes för att hitta den som var mest estetiskt tilltalande, var möjlig att tillverka och dessutom gav bra stöd handen. Det mest kritiska var släppvinkeln på försänkningens kant.

Efter diskussion med uppdragsgivaren Johan Öberg beslutades att koncepten längst ned till vänster skulle gå vidare för justering i CAD. Resultat av det ses i figur 13 och figur 14 på följande sida. Det som ändrades var följande:

- Urgröpningen för handledsremmen ändrades på ett sådant sätt att det gav mer rum för en djupare kavlitet. Sett från sidan så både vinklades och flyttades den uppåt.

- Kaviteten utökades till 120mm som längst.

- Nederdelen smalnades av markant för att få ett smidigare uttryck på handtaget - Låsklossen för kontrollremmen förminskades i syfte att ge mer plats åt remmen - Uttaget för korken ändrades för att passa handen bättre och gör tilverkningen lättare. Ritningsunderlag togs fram och Elpex skickade iväg detta till olika tillverkare för prisuppgift. Kort därefter skickades CAD-modellen till tillverkaren för framtagning av en nollserie.

29

Figur 13; Ovanífrån

30

Hållfasthet

Hållfastheten utvärderades i NX för att få en uppfattning om vilken del av handtaget som är eventuellt är kritiskt ur hållfastsynpunkt.

Modellen fixerades i kaviteten och kraften applicerades i linje med hur den nedre av remmen dras vid stakning. Se pilen i figur 15 nedan. Kraften sattes till 500N som baserades på den tidigare undersökningen av stavkrafter där den maximala kraften uppnådde som mest 45% av kroppsvikten.

Som syns i bilden nedan överstiger inte trycket 9 MPa vid denna belastning vilket är mycket lågt. Detta motsvarar alltså 9 N/mm2 vilket är långt under stäckningsgränsen för alla tillämpbara plaster. Att handtaget går sönder vid normal belastning förefaller alltså mycket osannolikt även vid betydligt större krafter. Det bedömdes därför inte av intresse att göra vidare hållfasthetsanalyser. De flesta stavar går av långt innan handtagets hållfasthet äventyras.

31

4.5 Konceptförbättring handtag

Ett antal veckor efter att CAD-underlag skickats iväg levererades en testserie handtag till Elpex från handtagstillverkaren. Se figur 16. Dessa såg utvändigt ut som CAD-modellen, men längst in i kaviteten var ett par upphöjningar tillfogade som gjorde att staven inte gick att föra in i botten. Se högra bilden nedan. Kanten på försänkningen för korken var också tvungen att justeras eftersom den dåvarande vinkeln gjorde att korken inte fick ordentligt fäste och ganska lätt släppte ifrån handtaget. Eftersom verktyget för produkten redan är gjort är det inte möjligt att göra några uppenbara förändringar. Dessa små förändringar justerades och en ny testserie levererades sedan för utvärdering. Det slutliga konceptet visas i avsnitt 6.1 Slutliga resultat – handtag.

Utvärdering av handtag

För att få en egen uppfattning om hur handtagen upplevdes monterades de på en stav varefter jag åkte rullskidor under 8km enligt metoden Experince prototyping. Handtaget kändes bekväma och inga negativa aspektetrar identifierades. Dock är klossen som håller fast remmen lite för liten och en aning svår att använda.

Kommentarer från skidåkare

”Känns bra, påminner om Swix. Kanten mot handen är något vass och skulle kunnas vara mindre skarp” - Elin Vedin – sjukgymnast och skidlärare på Älvsbyns skidgymnasium

4.6 Konceptframtagning kontrollrem

Konceptframtagningen inleddes med skissande med resultatet från enkätundersökningen i åtanke. Genom att använda papper med en halvt transparant hand skissades flera olika förslag på kontrollremmar fram.

Konceptfas ett

Det som togs hänsyn till vid skissningen var det som utrönts i enkäten och benchmarking. Från enkäten identifierades, som tidigare nämnt, problem med blåsor i händerna och tryckskador på både övre och nedre delen av handen. Det framkom även problem med att remmen glider ur sitt läge vilket skapar en icke ergonomisk position av remmen.

32

Denna konceptfas inleddes med brainstorming och skissteknik som generade ett antal koncept. De mest intressanta illustreras i figur 17. Bokstäverna i bilden hänvisar till beskrivning av koncepten undertill.

A

B

C

_D

E

Figur 17; Koncepten från konceptframtagningen

A. Istället för en kardborreband används ett åtsittande stretchtyg som håller handen på plats i längsgående riktning.

B. Spänne för rem placerad på ovansidan av handen och en bred avlastning för att undvika skav från spännet och fördela trycket över en större yta.

C. En tjockare vadderad rem som är placerad nedtill.

D. Samma som B fast från andra hållet. Ett kraftigt tyg är sytt ovanpå för at minimera slitage från handtagets friktion med remmen.

33

Konceptfas två

En workshop arrangerades med syfte var att få mer input till konceptframtagningen.

Från workshopen kom flertalet intressanta idéer fram. Baserat på koncepten från fas ett samt ny input valdes tre nya koncept för utvärdering.



En ganska vanlig design med ett spänne över tummen som ska hålla handen på plats. För att undvika skav från spännet är denna placerat på ovansidan av handen vilket syns i skissen som de streckade linjerna. Den ligger således inte som en del i kraftöverföringen. Tyget mot handen är lite tjockare dämpat med ändå följsamt. För kraftöverföringen står ett kraftigt, icke elastiskt, tyg. Detta sys med fördel separat utanpå det andra tyget. Kontrollremmen är också bred nedtill för att få en större avlastningsyta och följaktligen lägre tryck.(figur 18)

34

 Koncept luftig

En luftig variant med fixering av handen med hjälp av handleden istället för vid tummen. Tanken är att det på så vis ska sitta fast bra eftersom handledens diameter inte förändras medan tummen rör sig emellanåt. Materialet är neopren som är fritt från sömmar vilket minskar risken för skavsåv. Det ger också en dämpande förmåga. Illustreras av de svarta i figur 19.

I övrigt är det en luftig konstruktion där det ges stöd för handloven där kraften överförs. Då det ska användas sommartid är det av stort värde att inte handen blir för svettig vilket den luftiga konstruktionen ska medge. Detta skulle kunna förbättras ytterligare genom att perforera neoprentyget.(figur 19)

 Koncept tight

Detta koncept är ett tätt åtsittande koncept med neopren som sitter kramat kring handen. Detta ger ett gott stöd för handleden och håller handen på plats. Neoprenets stötdämpande egenskaper dämpar de värsta krafterna och fördelar kraften över en större yta.(figur 20)

Figur 19; Skiss av koncept luftig

35

Konceptviktning

De tre olika koncepten har sina för- och nackdelar och för att få något att grunda valet om vilket koncept som skulle gå vidare utformades en enkel viktningsmatris där koncepten gavs betyg som bedömdes utifrån skisserna(Tabell 3).

Tabell 3; Viktiningsmatrisen som användes för att sålla koncepten

Vikt Traditionell Luftig Tight

Ergonomi 5 3 3 4

Andning 3 4 4 2

Nytänkande 2 1 4 4

SUMMA 29 35 34

Förklaring och motivering till kraven;

Ergonomi

Ergonomi syftar till hur skönt den ligger i handen och detta är med eftersom det är av stor vikt att handen ligger komfortabelt i remmen. Detta krav är viktigaste och får högst vikt.

Andning

Remmen måste andas för att inte handen ska bli varm, svettig vilken i sin tur kan orsaka skav och olägenheter. Nästa viktigaste aspekten i sammanhanget.

Nytänkande

Eftersom jag ville testa en ny idé var även nytänkande ett kriterie.

36

4.7 Konceptförbättring kontrollrem

För att undersöka koncepten praktiskt användes ett inköpt handledsstöd bestående av 3mm tjock neopren och detta låg till grund för prototyptillverkning. Med hjälp nål, tråd och befintliga kontrollremmar tillverkades två olika prototyper.

Den inledande prototypen syddes från grunden och tanken var att undersöka hur neopren kändes mot handen och om kardborreband bakom tummen var nödvändigt eller om det kunde bortses från som i koncept ”Tight” och ”Luftig”.

Själva materialkänslan upplevdes fin, mjuk och stötdämpande. Däremot var inte vridningspunkten, där kraftöverföringen sker, centrerad i handen vilken gav upphov till en att handen håller på att glida ut. En låsning bakom tummen verkar således vara nödvändigt för att skapa det moment ska hålla handen på plats. En ny prototyp tillverkades med en befintlig kontrollrem som bas. Detta för att få en känsla med korrekt kraftöverföring. Prototypen illustreras nedan i figur 21.

Utvärdering av neoprenhandtag

För att utvärdera den sista prototypen på kontrollrem med neopren monterades prototypen på handtaget och ett stavar varefter jag själv använde mig av experience prototyping i form av rullskidåkning. På den den vänstra handen bars handske och en kontrollrem från Swix användes. På den högra handen användes prototypen utan handske.

Det slutliga konceptet visas i avsnitt 6.2 Slutliga resultat – kontrollrem.

37

Figur 22; Det modifierade handtaget som användes under mätningarna.

5. Genomförande för mätning av stavkrafter

I detta avsnitt redogörs ingående hur arbetsprocessen gällande mätningarna sett ut vilket innefattar tillverkning av testriggar, analyser och delresultat. Plotter och vilka slutsatser som dragits utifrån dessa presenteras löpande.

5.1 Förberedelser

Den första uppgiften var att installera mätutrustningen och tillverka ett handtag med en kraftcell för att kunna mäta krafterna under åkning. Hur tillvägagångssättet för detta gick till se bilaga IIX. Resultat blev ett förstärkt handtag med kraftcell monterad längst upp i handtagskaviteten. För att få staven att sitta kvar användes cykelslang som gav ett konstant tryck mot cellen som sedan nollades i programvaran. För att byta stav klipps tejpen loss och tejpas sedan fast på det andra stavröret. Figur 22 till höger visar hur det såg ut.

Mätutrustningen som användes var följande enligt Tabell 4 nedan. För offert från leverantör se bilaga IX.

Tabell 4; Tabellen redogör för vilken mätutrustning som användes vid mätningarna. Modell Info Lastcell Kyowa LMB-A Mätområde 0-500N Mätsystem Kyowa EDX-10A

Samplingsfrekvens upp till 20 kHz. Strömtillförsel via USB.

Mätmodul Kyowa EDX-11A

-

Mätutrustningen har strömtillförsel via USB vilket innebär att den kan drivas av en bärbar dator. Detta är en förutsättning för att kunna utföra mätningar så naturligt som möjligt. Mätmodul och mätsystem tillsammans med en bärbar dator placerades därför i en åtsittande ryggsäck som bars av åkaren. För att säkerhetsställa att mätningarna skulle utföras på ett bra sätt skrevs en försöksplan som återfinns i bilaga VI. Här redogörs för olika variabler, felkällor och hur försöken ska läggas upp.

Kraftcell

38

5.2 Kalibrering

För att få ut den korrekta kalibreringskonstanten placerades kraftcellen mellan en våg och en kalibrerad lastcell för att få två referenser. Kraften avlästes i både mjukvara, dynamometer och våg. Kalibreringskonstanten kunde därefter bestämmas och användes sedan i mätningarna. Lastcellen var av typen SCAIME ZF-50kg som hade kilogramgradering. Denna visas i figur 23 nedan. Eftersom cellen nu var grundkalibrerad användes denna under samtliga försök. Hur stor del av den verkliga stavkraften som faktiskt registreras av cellen beror då främst på hur stor friktion som uppkommer i testuppställningens handtag.

39

5.3 Försök

Mätförsöken gjordes vid olika tillfällen med olika åkare och olika väder på grund av varierade omständigheter. Datan är alltså bara jämförbar inom varje försökstillfälle. Mellan varje tillfälle skedde vissa förändringar av testutrustningen vilket framgår under kapitlet. För fler plotter från de olika försöken, se resultat och bilaga X.

Försök 1 - Pilotförsök

När testutrustningen var riggad var det dags att testa den i praktiken. Till vår hjälp tillkallades sjukgymnast och elitskidåkare Elin Vedin från Älvsbyns skidgymnasium. Hon fick använda ryggsäcken där dator och mätutrustning var placerad i en ryggsäck.(figur 24)

Figur 24; Elin Vedin kör hårt med mätutrustning i ryggsäcken. (Foto: Erik Thorsell)

Hon åkte en sträcka på flackt underlag och använde tekniken dubbelstakning. Denna sträcka åktes med och utan dämpare placerad i handtaget. Detta gjorde hon 2 gånger. Samplingsfrekvensen var 0,5kHz. Dessa mätningar klassificerades som pilotförsök eftersom syftet med dessa försök var att analysera hur datan såg ut och utifrån denna optimera metoden både för mätning och hantering.

Bearbetning av mätdata

Från mätningarna erhölls en CSV-fil med samtliga mätpunkter från mätningen. Tiden i ena kolumnen och kraften i den andra. För att kunna göra någon analys måste varje stakcykel sållas ut var för sig. I cykeln är det som är intressant att undersöka följande;

 Kraftkurvans karaktär

 Den genomsnittliga maximala kraften som utvecklas under isättningsfasen.

40

För att från rådatan identifiera och välja ut enskilda stakcykler användes Matlab. Med handledning från Simon Johansson4 programmerades en kod i Matlab för detta. Programmet delar upp rådatan mindre tidsdelar vars längd specificeras beroende på rådatans utseende. I varje del letar programmet upp den maximala kraften och väljer sedan ut värden före och efter varje identifierat maximum som anpassas för att motsvara tiden för en cykel. Det kan även anpassas för att endast välja ut cykler där den maximala kraftspiken överskrider ett specificerat värde. Varje cykel blir sedan en kolumnvektor i en matris, se bilaga XI för kod och förklaringar i Matlab. Datan importeras sedan i Excel för att räkna fram en genomsnittlig plott, analysera standardavvikelser och beräkna impulsen. I Excel sållas mätdatan från uppenbart missvisande stavtag som avviker kraftigt från övriga. Liknande stavtag väljs ut för vidare analys.

Från pilotförsöken med Elin Vedins stavtag utan dämpare erhölls följande F(t)-plott utifrån 25 stakcykler. Kurvan visar ett genomsnitt av dessa. Mätutrustningen mätte kraften 500 gånger per sekund och har alltså en samplingsfrekvens på 500Hz. En kurva som visar standardavvikelsen vid varje tidpunkt är också medräknat (Plott 1). Kurvorna är justerade på så vis att de börjar på 0N.

Plott 1; Visar en genomsnittkurva för odämpad stav. De streckade linjerna motsvarar standardavvikelsen.

i

4 _{Doktorand på Luleå Tekniska Universitet, avdelning för strömningslära och experimentell mekanik.}

Odämpad Kraft [N]

41

Dämpad

Motsvarande kurva för dämpat system, Blå elastomer. (Plott 2)

Från pilotförsöken kunde följande notiser angående mätdatan göras;

- Mätvärdenas variation under isättningsfasen(IF) är så pass liten att kraften som utvecklas utan dämpare signifikant kan skiljas från kraften med dämpare. Den genomsnittliga kraften är 41 N lägre med dämpare

- Under påtryckningsfasen(PF) är mätvärdenas differens väldigt stor vilket förklaras med att varje stavtag är väldigt individuellt till följd av bland annat stavfäste och mänsklig faktor. Det är mycket svårt att utföra en exakt likadan stavcykel varje gång. Det är därför mer intressant att undersöka den första delen av stavcykeln.

- Kraftspiken kommer fort och inför vidare mätningar bör samplingsfrekvensen ökas för täcka hela förloppet mer ingående.

Dämpad Dämpad

Kraft [N]

Plott 2; Visar en genomsnittkurva för dämpad stav. Blå elastomer användes, De streckade linjerna motsvarar standardavvikelsen.

42

Försök 2 - Verifierande försök

Den gamla mätutrustningen hade vissa brister, som t ex att den var obekväm att hålla i, att det svikta en aning och dessutom inte förhindrade rotation av stavröret tillräckligt. Därför tillverkades ny mätutrustning av handtagets nollserie. Ovanstående problem åtgärdades härmed. Dessutom gjordes friktionen mellan stav och handtag så låg som möjligt med hjälp av smörjfett. Kaviteten i detta handtag var nämligen smalare än i tidigare testrigg vilket ställde högre krav på att arbeta ner friktionen. Utseendet på mätutrustningen visas i figur 25 till höger. Dessutom var det framöver möjligt att använda samma stavrör för dämpat och odämpat system och ändå behålla den totala längden staven. Själva gummit i dämparen byts helt enkelt ut mot styv plast och blir därigenom styv nog för att klassas som odämpad. Mätfelet uppskattas större än deformationens effekt. Dessutom tillfogades ett extra dämpargummi för att undersöka vilket påverkan det har. I tidigare pilotförsök användes blått gummi. Totalt var det alltså nu möjligt att undersöka två olika grader av dämpning tack vare olika hårdhet på dämpargummit.

Orange: Odämpat

Blå: Hård dämpning

Transparant: Mjuk dämpning

Eftersom kraftspiken uppkommer så fort i början av cykeln ökades samplingsfrekvensen till 5kHz för att täcka förloppet mer noggrant. Det förklarar också den högre noggrannheten på x-axeln i plotterna på nästa sida. Utrustningen testades genom att jag själv åkte en specificerad sträcka på rullskidor med orange respektive transparant gummi, vilket motsvarar odämpat och mjukt dämpat.

43

Odämpad

Nedan visas plotten för odämpad stav som baserats på 41 stavtag.(Plott 3)

Plott 3; Visar en genomsnittkurva för odämpad stav. De streckade linjerna motsvarar standardavvikelsen.

Dämpad

Nedan visas plotten för odämpad stav som baserats på 27 stavtag.(4). Transparant elastomer användes

Plott 4; Visar en genomsnittkurva för dämpad stav. Transparant elastomer användes, De streckade linjerna motsvarar standardavvikelsen.

Tid [s]

Tid [s] Kraft [N]