EXAMENSARBETE INOM MASKINTEKNIK, Högskoleingenjör 15 hp
SÖDERTÄLJE, SVERIGE 2018
Mekanisk lösning för
kraftutjämning på roterande remdriven borstkonsol
Ett examensarbete i samarbete med PirTec – Piraya Technology AB
Jakob Ekman Tobias Andersen
Mekanisk lösning för kraftutjämning på roterande remdriven borstkonsol
av
Jakob Ekman
Tobias Andersen
Examensarbete TRITA-ITM-EX 2018:206 KTH Industriell teknik och management
Hållbar produktionsutveckling Kvarnbergagatan 12, 151 81 Södertälje
Examensarbete TRITA-ITM-EX 2018:206
Mekanisk lösning för kraftutjämning på roterande remdriven borstkonsol
Jakob Ekman
Tobias Andersen
Godkänt
2018-06-18
Examinator KTH
Claes Hansson
Handledare KTH
Salam Suberu
Uppdragsgivare
PirTec
Företagskontakt/handledare
Simon Wieslander
Sammanfattning
Detta examensarbete omfattar en teknisk och innovativ konceptutveckling utifrån ett givet problem som uppstår på en Piraya poolrengöringsrobot. Arbetet utförs av två studenter från KTH Södertälje i sammarbete med PirTec – Piraya Technology AB.
Målet med examensarbetet var att ta fram en eller flera lösningskoncept som eliminerar problematiken och samtidigt når de specificerade mål framtagna tillsammans med PirTec. Målen berör vikt, funktion och användarvänlighet.
För att nå de uppsatta målen inom uppsatt tid har en tydlig planering i form av en Work Breakdown Structure och ett GANTT‐schema tagits fram. På så sätt kunde en
uppskattning av tidsåtgång för de olika delmomenten i projektet tas fram. Inspirationen för de moment som har valts har tagits från Ulrich och Eppingers
produktutvecklingsprocess samt tidigare insamlad erfarenhet från liknande projekt på KTH.
Problemet som tillhandahölls var att Pirayans borstkonsol sporadiskt lyfter vid
backning vilket i sin tur skapar följproblem som påverkar robotens tillförlitlighet. För att skapa en djupare förståelse i hur och varför problemet uppstår har analyser och tester
Bachelor of Science Thesis TRITA-ITM-EX 2018:206
Mechanical solution for power equalization on rotary belt driven brush console
Jakob Ekman
Tobias Andersen
Approved
2018-06-18
Examiner KTH
Claes Hansson
Supervisor KTH
Salam Suberu
Commissioner
PirTec
Contact person at company
Simon Wieslander
Abstract
This thesis project involves a technical and innovative conceptual development based on a given problem that occurs on a Piraya pool cleaning robot. The work is carried out by two students from KTH Södertälje in collaboration with PirTec ‐ Piraya Technology AB.
The aim of the thesis was to develop one or more concepts that eliminate the problem and at the same time achieve the specified goals that were developed together with PirTec. The goals concern weight, functionality and ease of use.
In order to achieve the goals within the set time, planning in the form of a Work
Breakdown Structure and a GANTT‐schedule has been developed. Thus, an estimate of time needed for various parts of the project could be obtained. The inspiration for the selected parts of the project has been taken from Ulrich and Eppinger's product
development process and also previously collected experience from similar projects at KTH.
The problem that was provided was that the Piraya brush console sporadically lifts at backing, which in turn creates follow‐up problems that affect the robotic reliability. In order to create a deeper understanding of how and why the problem arises, analyzes and tests have been executed.
Innehåll
1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund - Problembeskrivning ... 1
1.2 Krav ... 3
1.3 Målformulering ... 3
1.4 Avgränsningar ... 3
1.5 Lösningsmetoder ... 4
1.5.1 Problemanalys ... 4
1.5.2 Idégenerering ... 5
1.5.3 Faktainsamling ... 5
1.5.4 Konceptframtagning ... 5
1.5.5 Konceptsållning ... 6
1.5.6 Prototypframtagning ... 6
1.5.7 Prototyptest ... 6
2 Nulägesbeskrivning ... 7
2.1 PirTec AB ... 7
2.2 Produktbeskrivning ... 7
3 Faktainsamling ... 11
3.1 Remmar ... 11
3.2 TRIZ Effects Database ... 13
3.3 Datainsamling ... 13
3.3.1 Lyftkraft: 1 ... 13
3.3.2 Lyftkraft: 2 ... 16
3.3.3 Egentyngd: 1 ... 19
4 Genomförande och analys ... 23
4.1 TRIZ Effects Database ... 23
4.2 Genererade idéer ... 23
4.2.1 Tryckfjäder ... 23
4.2.2 Vridfjäder ... 24
4.2.3 Frihjul ... 24
4.2.4 Kullager ... 24
4.2.5 Stålaxel/Glidlagerhylsa ... 24
4.3 Concept scoring ... 25
4.3.1 Frihjul ... 26
4.3.1.1 Framtagning av prototyp ... 27
4.3.2 Vridfjäder ... 30
5 Resultat och diskussion ... 33
5.1 Diskussion ... 33
5.2 Resultat ... 34
5.2.1 Frihjul ... 35
5.2.2 Fjäder ... 35
6 Slutsats ... 37
6.1 Mål ... 37
6.2 Egenvärdering ... 37
7 Rekommendationer ... 39
7.1.1 Vridfjäder ... 39
7.1.2 Frihjul ... 40
1 Inledning
I det inledande kapitlet beskrivs den problematik som examensarbetet behandlar samt de krav, mål och avgränsningar som satts upp tillsammans med uppdragsgivaren.
Tillvägagångssättet beskrivs i form av de metoder som planeras användas för att genomföra examensarbetet
1.1 Bakgrund - Problembeskrivning
Problemet med PirTec’s nuvarande poolrengörare är att deras borstkonsol sporadiskt lyfter vid backning. Detta ger upphov till en rad olika problem som försämrar
produktens funktion och pålitlighet. På borstkonsolen finns det en fastmonterad kjol vars funktion är att bibehålla undertrycket under maskinen. I samband med att borsten och kjolen lyfter så tappar maskinen sitt undertryck vilket leder till att hjulens grepp emot underlaget minskar.
När maskinen tappar greppet om underlaget kan följande problem uppstå:
• När maskinens styrsystem roterar hjulen antar den att maskinen rör sig den beräknade sträckan utifrån hjulens omkrets och befinner sig i sin rätta position.
Om hjulen slirar blir den beräknade och verkliga positionen inte densamma och maskinens lokaliseringsförmåga upphör.
• När backsekvensen för vändning är utförd förväntar sig styrsystemet att hjulen skall stannas upp då maskinen kör in i väggen. Om hjulen då slirar mot
underlaget kommer inte detta att ske vilket innebär att maskinen står och ”tuggar” mot väggen.
Då maskinen marknadsförs som en automatisk rengöringsrobot förväntar sig kunden att processen för att rengöra poolen skall vara helt automatiserad och kräva minimal eller ingen övervakning. Med den tidigare nämnda problematiken finns en risk att en
oövervakad maskin inte utför sitt arbete vilket påverkar maskinens pålitlighet drastiskt.
Orsaken till varför borstkonsolen lyfter har analyserats och specificerats till två primära faktorer. En av dessa är friktionskraften som uppstår mellan borstens axel och
plastlagringen borsten är monterad i. Denna friktionskraft är inte konstant utan påverkas av flera faktorer som till exempel tillverkningstoleranser, smuts eller annat som tränger in mellan lagringsyta och axeln.
Den andra primära faktorn till uppkomsten av lyftkraft är borstens hydrodynamiska motstånd som uppstår när borsten roteras i vattnet. Detta motstånd agerar på liknande sätt som friktionskraften men antas fluktuera mycket mindre än friktionen och på så sätt inte vara orsaken till att problemet är sporadiskt. Det faktiska förhållandet mellan de två faktorerna är okänt.
Utöver friktionskraften och det hydrodynamiska motståndet påverkar även borstens tröghetsmoment lyftkraften under accelerationsfasen, samt att den statiska friktionen är högre innan hjulet och borsten börjat snurra. Detta ger en initialt större lyftkraft som sedan sjunker till en lyftkraft som endast är beroende av den dynamiska friktionen och det hydrodynamiska motståndet.
Figur 1: Hur friktion och hydrodynamiskt motstånd påverkar lyftkraften som uppstår i remmen.
F y
F x F
F f
F f
a
a
Borsthjul
R Om F y överskrider gravitationskraften lyfter borsten
F y är den vertikala resultanten av kraften F (Fsina) Storleken av F är beroende av storleken av
friktionskraften Ff och det hydrodynamiska motståndet F hd.
Drivrem
Lagring
F hd
F hd
1.2 Krav
De krav som ställs på detta examensarbete är de som är givna från KTH och omfattar de resultat som skall levereras efter avslutat examensarbete.
• En vetenskaplig rapport som följer KTH:s standard.
• Arbeta enligt KTH:s projektmodell (F2 Projekt-Planering2).
• Redovisa examensarbetet inför handledare.
• En poster att hänga på väggen i skolan skall tas fram.
1.3 Målformulering
Det huvudsakliga syftet med examensarbetet är att ta fram och utveckla en eller flera koncept som löser problematiken med den lyftande borstkonsolen. Koncepten skall tas fram utifrån målen som listas nedan.
• För att hålla nere vikten på slutprodukten skall viktpåslaget av lösningen inte överstiga 100 gram.
• Borstkonsolen skall inte vara beroende av undertrycket då detta kan variera. För att helt eliminera denna faktor skall borstkonsolen inte lyfta vid backning trots att pumpen är avstängd.
• Borstkonsolen skall gå att montera och demontera utan verktyg för att påverka enkelheten för slutanvändaren minimalt.
1.4 Avgränsningar
Dessa avgränsningar är moment som faller utanför examensarbetets tidsram och kommer därför inte att påbörjas.
• Utmattningsstudier för koncepten skall inte göras, fokus skall ligga på idéer, koncept och detaljutveckling.
• Kostnader för slutprodukter skall inte tas fram.
• Projektet skall endast omfatta arbete runt problematiken att borstkonsolen lyfter vid backning.
• Andra lösningar för att bibehålla undertrycket, oberoende av borstkonsolen, faller utanför projektets ramar
1.5 Lösningsmetoder
Detta projekt kommer ha sin grund i en WBS (Work Breakdown Structure). Den är framtagen utifrån den utlärda projektstrukturen på KTH Södertälje samt Ulrich &
Eppingers generella produktvecklingsprocess i sex faser för att skapa en egen process anpassad efter detta specifika problem. På så sätt kan den införskaffade erfarenheten av projektplanering från KTH sättas på prov och visa att denna kan anpassas utifrån givna förutsättningar med goda resultat.
Figur 2: Ulrich och Eppingers produktutvecklingsprocess (Ulrich and Eppinger, 2015)
En WBS är en nedbrytning av projektets större delar ner till mindre och mer hanterbara moment för att skapa en tydligare bild av vilka steg som kommer att krävas för att genomföra projektarbetet. I denna har ett antal metoder lagts in som anses kunna ge relevanta resultat för projektet och som därför är inplanerade under de olika faserna.
Utifrån denna WBS har ett GANTT-schema innehållande alla delmoment tagits fram för att skapa en tydligare bild över hur mycket tid varje enskilt moment kan komma att kräva och om alla delmoment är rimliga att hinna med.
1.5.1 Problemanalys
• Samtal med uppdragsgivare
o Detta görs då studenterna får diskutera problemet med företaget som är väl införstådda i problematiken. Att få presentera idéer och skapa en diskussion kring dessa med människor som är väl insatta i hur produkten fungerar kommer att hjälpa studenterna med att sätta lösningen i
verklighet och få en uppfattning om lösningen är möjlig.
• Tester med varierande friktion
o Detta är ett test för att pröva tesen om lyftkraften har en direkt korelation till friktionskraften på axeln. Lyftkraften mäts med hjälp av en
dynamometer.
1.5.2 Idégenerering
• TRIZ Effects Database
o TRIZ Effects Database används för få en ny vinkel på problemet, vilken typ av befintlig teknik som kan tänkas användas för att lösa problemet. Denna databas går att använda till allt från framtagandet av en helt ny produkt eller för att utveckla den.
• Brain drawing
o En metod som hjälper till att visualisera en framtagen idé på papper, det är inte alltid speciellt lätt att förklara en eller flera idéer för någon. Genom att snabbt rita upp och visualisera skapar en större förståelse för alla inblandade och kan där efter leda till en diskussion.
1.5.3 Faktainsamling
• Internetbaserad faktainsamling samt litteraturstudie o Detta kommer ske för de områden som uppdagats i
idégenereringsprocessen. Syftet är att kontrollera genomförbarheten samt utveckla de idéer som tagits fram.
1.5.4 Konceptframtagning
• Skissning
o Skissning är en bra metod för att kunna förmedla sin idé till alla
inblandade, det är ett hjälpmedel som gör det enklare att se om samt hur något skulle kunna utvecklas.
• CAD-modellering
o Detta verktyg är ett vidare arbete av de skisser som tagits fram och används för att få en verklighetsuppfattning på hur prototypen kommer att se ut samt hur den fungerar. Det är också dessa modeller som utnyttjas för att i ett senare skede skriva ut prototypen i en 3D-skrivare.
• CAD-sammanställning
o Detta används för att ge en helhetsbild på hur alla komponenter för prototypen arbetar med varandra. Det går också att kombinera olika prototyper med varandra för att se hur de arbetar tillsammans.
• Iteration
o För att kunna skapa en produkt som löser problemet på bästa möjliga sätt så kommer det krävas en ständig utveckling av produkten. En produktidé som löser problemet direkt kommer sannolikt se annorlunda ut i sitt slutskede jämfört med den första idén som togs fram.
1.5.5 Konceptsållning
• Concept scoring
o Concept scoring bygger på samma grund som Concept screening, koncepten rangordnas utefter hur bra de klarar av de bestämda
kriterierna jämfört med utgångspunkten. Concept scoring används när alla koncept bearbetats och utvecklats. Det sker sedan en poängsättning mellan 1 till 5, den totala poängen räknas samman och ger oss ett resultat på vilket koncept som skulle båda lösa problemet och ge en så hög
kundnöjdhet som möjligt.
• Konsultation med PirTec
o Att visa lösningsförslag och skapa en diskussion med företaget om hur vida konceptet fungerar. Diskutera om vad som skulle kunna tänkas förbättras eller utvecklas.
1.5.6 Prototypframtagning
• 3d-printing
o Genom att ta fram en prototyp skapas både en förståelse om hur denna skulle kunna tänkas prestera samt om vad som skulle behöva utvecklas.
Det är också enklare för företaget att förstå produktidén om den går att ta i, samt att prototypen är i verklig storlek.
• Fräsning
o Om det inte går att skapa en specifik komponent via 3D-printning så kommer den att fräsas, det gäller också om det krävs en komponent som inte går att skapa i plast.
1.5.7 Prototyptest
• Montering av prototyp på piraya och genomföra funktionstest först torrt och sedan under vatten.
• Underhållsanalys, undersöka påverkan av enkelhet för slutanvändaren jämfört mot dagenslösning.
2 Nulägesbeskrivning
Detta kapitel beskriver vilka examensarbetets uppdragsgivare är och vad deras
verksamhet går ut på. En generell beskrivning av den produkt som tillverkas och säljs av företaget görs för att skapa en förståelse om funktion och användning av produkten.
2.1 PirTec AB
PirTec AB är ett företag som grundades i Södertälje år 2006. Företaget har sedan start primärt arbetat med tillverkning, montering och utveckling av produkten Piraya, som är en bottensugare konstruerad för rengöring av pooler. Utöver detta utförs även service och reparation av produkterna i PirTecs lokaler. Företagets kunder är till störst del kommunala badhus men i vissa fall även hotell, sjukhus, spa- och träningsanläggningar samt privatpersoner, som de både säljer och hyr ut sina produkter till.
2.2 Produktbeskrivning
Figur 3: Piraya på transportvagn (PirTec, 2010)
Piraya är en produkt med stort fokus på användarvänlighet och simplicitet. Produkten skall vara enkel att demontera för rengöring och underhåll utan att användaren behöver använda sig utan några verktyg. Sedan start har även stort fokus lagts på att
modulindelning och standardiserade gränssnitt. Detta innebär till exempel att den senaste iterationen av borstkonsolen fortfarande passar den första iterationen av pumphuset. På samma sätt har Piraya hög uppgraderingskompabilitet för äldre Pirayor vilket minskar lagerhållning på antal olika artiklar som måste tillverkas.
Produktens huvudkonstruktion består av själva pumphuset som omsluter de ingående komponenterna som motorer, kopplingar, axlar med mera. Pirayan har en motor som driver pumpen och en motor för drivningen av de två drivhjulen. Vardera drivaxel har en elektromagnetisk koppling som tillåter hjulen att rotera individuellt från varandra för att på så sätt styra Pirayan. Utöver drivhjulen sitter ett länkhjul monterat längst bak som tillåter rotation runt maskinens egen axel för minimal svängradie.
På hjulaxlarna monteras gummibelagda plasthjul som har ett svarvat spår för den rem som sedan driver borsten. Tack vare den mycket mindre diametern i spåret på borsten skapas en utväxling som driver borsten i en högre hastighet än hjulen, borstens rörelse är alltså direkt beroende av hjulen. I figur 4 nedan visas hur borsten sitter monterad på en glidlagrad konsol centrerad runt hjulaxeln.
Figur 4: Monterad borste med rem
På denna borstkonsol sitter en kjol monterad för att agera tillsammans med en så kallad ”sugplåt” för att bibehålla undertrycket under Pirayan. Detta undertryck är den största faktorn till det tillgängliga grepp hjulen har mot underlaget.
Då Pirayan är en automatiserad rengöringsrobot använder den sig av ett styrsystem med två förprogrammerade program för rengöring av rektangulära respektive friformspooler. Dessa program förlitar sig till stor del på en backningssekvens som utförs efter att Pirayan nått fram och kört in i en vägg, vartefter den är programmerad att vända. Hur vändningarna utförs visas i figur 5 och 6 på nästa sida.
Figur 5: Körprogram för rektangulära pooler (PirTec, 2010)
Figur 6: Körprogram för friformspooler (PirTec, 2010)
3 Faktainsamling
Kapitlet för faktainsamling består av den information som anses relevant och berör problematiken med den lyftande borstkonsolen, som finns tillgänglig i kurslitteratur och på nätet. Då problemområdet är oerhört specifikt behövdes även egna data samlas in med hjälp av tester i form av simuleringar och mätningar. På så sätt samlades data runt problemet in för att skapa förståelse om de faktorer som ligger till grund för lyftkraften som uppstår i remmen. Med hjälp av denna data kan en förståelse byggas upp för vilka faktorer som behöver motverkas eller elimineras för att lösa den givna problematiken.
3.1 Remmar
Remmar är ett vanligt maskinelement som primärt används för att överföra kraft från en axel till en annan axel med en hög verkningsgrad på upp till 98 %. Denna typ av
kraftöverföring kännetecknas av dess flexibilitet och förmåga att absorbera vibrationer och stötar. De klarar av att överföra kraft över ett brett spann av varvtal och kraft utan att kräva någon typ av smörjning (Chennu, 2017).
Remmar använder sig av friktion för att överföra kraften som skapas genom en
förspänning av remmen vid montering. Vissa utföranden använder även tänder för att eliminera risken för glidning av remmen som annars är ett vanligt problem vid remdrift (Odesie, 2014).
Remmar som inte är försedda med tänder har dock en skyddande funktion om till exempel borsten i detta fall skulle låsa sig av någon anledning. Låser sig borsten så kan remmen börja slira istället för att eventuellt skada några andra, dyrare komponenter.
Olika remmar lämpar sig på så sätt till olika saker utifrån de förutsättningar som det resterande systemet tillåter (IEEE, 2015).
Vid val av rem är följande parametrar bra att ta i beaktning:
• Rotationshastighet
• Axelcentrumavstånd
• Magnitud på utfört arbete
• Storlek på remhjul
• Toleranser
• Utrymme
• Vibrationer och stötar
• Tillgänglighet och lagerhållning
• Livslängd och service (Odesie, 2014)
Utöver att montera remmen rakt över de båda hjulen så att rotation sker åt samma riktning kan remdrift även konfigureras för att rotera i motsatta riktningar. Detta uppnås genom att remmen vrids 180 grader för att korsas mellan de två hjulen som på så sätt ger motsatta rotationsriktningar vilket visas i figur 7 nedan (IEEE, 2015).
Figur 7: Remdriftskonfiguration för motsatt rotationsriktning (IEEE, 2015)
I figur 7 ovan samt figur 8 nedan visualiseras skillnaden mellan de två sidorna på remmen uppstår när den skall utföra sitt arbete. Då remmar är mjuka maskinelement tar de upp tryckkrafter längs remmens riktning väldigt dåligt. Remmar använder sig därför utav den dragspänning som uppstår på den så kallade spända sidan av remmen för att rotera systemet. Detta ger upphov till en asymmetrisk last som i vårt fall ger upphov till det lyftande moment som är grunden till examensarbetet då den drivna borsten sitter upplagrad kring det drivande hjulets centrum (Odesie, 2014).
Figur 8: Normal remdriftskonfiguration (Jimi, 2015)
3.2 TRIZ Effects Database
TRIZ är en förkortning på den ryska akronymen ”теория решения изобретательских задач” och uttalet ger oss förklaringen på varför det förkortas TRIZ, ”Teoria reshenija izobretatjelskich zadacz”. Översättningen till svenska blir ”Teori om uppfinningsrik problemlösning” och detta är ett starkt verktyg för många människor och företag som vill öka sin kreativitet, idégenerering eller framtagning på lösningsmetoder.
TRIZ Effects Database är ett verktyg som hjälper till med problemlösning och samtidigt ge nya synvinklar på problemet/lösningen. TRIZ Effects Database är byggt på
trädprincipen där processen börjar med några få alternativ, sedan flera vägar att välja mellan beroende på vad som skall göras och till sist en lista med förslag på vad som kan göras.
3.3 Datainsamling
På grund av att PirTec inte har några fastställda data på vilka krafter som borstkonsolen utsätts för, utförs tester för att på så sätt införskaffa denna relevant data. Målet med dessa tester är att:
• Mäta lyftkraften som backning av maskinen genererar vid olika friktionsnivåer.
• Bevisa tesen att ökad friktion leder till en större lyftkraft.
• Approximera hur stora friktionskrafter som uppstår i lagringen av borsten när den lyfter.
• Ta reda på vikten av borstkonsolens olika komponenter under vatten.
3.3.1 Lyftkraft: 1
Vad som användes under experimentet:
• Piraya
• Testjigg
• Dynamometer
• Hjuladapter för drivning
• Friktionsadapter
• Linjal
• Friktionsmodifierare
• Skruvdragare
Pirayan monteras stationärt med hjulen i luften i en testjigg för att kunna få ut så stabila mätvärden som möjligt. Testjiggen möjliggör stabil montering och fasta mätpunkter för att minimera mättekniska fel. Då den försedda Pirayan inte har några motorer har en lösning för drivning av dess hjul tagits fram i form av en 3D-printad hjuladapter. Denna hjuladapter modellerades i CAD med mått direkt tagna från Pirayans hjul och är
anpassad för att kunna fästas i en skruvdragare för att på så vis driva hjulen. CAD- modellen visas i figur 9 nedan.
Figur 9: Hjuladapter för drivning av hjul och borstkonsol med skruvdragare.
För att utföra testerna med olika friktionsnivåer modifierades ordinarie fästanordning till borsten. Modifieringen bestod av ett fräst spår och en tvärgående genomgående bult för att kunna klämma borsten och på så vis öka friktionen. Figur 10 nedan visar den modifierade (till vänster) samt ordinarie fästanordningen (till höger).
Figur 10: Friktionsmodifierare (till vänster) tillverkad av ordinarie fästanordning (till höger).
För att kunna mäta förändringen av friktionen togs en ännu en hjuladapter fram. Denna adapter sammankopplar en linjal till hjulet, som sedan kan användas som hävarm och med hjälp av en dynamometer få fram en kraft och då också ett vridmoment. För att få fram det exakta avståndet mellan hjulens centrum och dynamometerns fästpunkt så har ett snitt skapats i adaptern för avläsning. Bilden nedan visar hur adaptern ser ut och hur avläsning genomförs, i snittet finns en pil för mer exakt avläsning.
Figur 11: Hjuladapter med linjal för mätning av friktionsmoment.
Figur 12: Hjuladapter, spår för linjal. Figur 13: Linjalens tvärsnitt.
Endast en borste används i testerna då den modifierade fästanordningen där friktionen regleras riskerar att klämma olika hårt på borstarna om testet utför med två borstar. Om testet skulle utföras med två borstar så måste friktionen mätas samtidigt på de två
hjulen vilket komplicerar mätprocessen, vilket i sin tur kan ge mindre exakta mätvärden.
Pirayan placeras i testjiggen så att hjulen inte längre ligger mot marken och
borstkonsolen hänger fritt i luften. Innan mätningen påbörjades utfördes tester av olika friktionsnivåer för att skapa en förståelse hur borstkonsolen reagerar med olika nivåer av tillförd friktion. Det gick tydligt att se att lyftkraften ökade vid ökad tillagd friktion.
Det blev också uppenbart att driva hjulen med hjälp utav den tillgängliga borrmaskinen inte gav tillräckligt konsekventa mätresultat.
Borrmaskinens motor är inte tillräckligt stark och klarar därför inte av att köras konsekvent i låga varvtal. Detta beror dels på att den svaga motorn inte klarar av att övervinna borstens pålagda friktion på låga varvtal samt den mänskliga faktorn då strömmen till motorn varierar på hur långt knappen trycks in.
Med avseende på att borrmaskinen inte går att köras med ett bestämt varvtal avlutas därför experimentet då det inte går att få fram några konsekventa mätvärden.
3.3.2 Lyftkraft: 2
Vad som användes under experimentet:
• Piraya med motor
• Styrsystem
• Testjigg
• Dynamometer
• Friktionsadapter
• Linjal
• Friktionsmodifierare
På grund av resultatet från test 1 skickades en förfrågan till PirTec om installation av motor samt styrsystem i den försedda Pirayan. Motorn och styrsystemen som
installerades är detsamma som används i dagens Piraya och detta medför att hastighet och acceleration är både pålitligt och konsekvent. Den före detta drivningen med hjälp av hjuladapter och borrmaskin används inte längre.
Syftet med detta testet är att få fram ett samband mellan friktion på borstarmen, lyftkraft och strömåtgång på motorn. Strömmen mäts med hjälp av en kabeladapter mellan styrkortet och Pirayan som tillåter oss att koppla in en multimeter som visar strömåtgången till motorn. Mätning av ström görs för att få ett samband mellan momentet som krävs för att driva hjulet och strömåtgången.
Samma typ av metod som användes för friktionspålägg och mätning av friktionsmoment i det tidigare experimentet används även nu. För att minska friktion på borstarmens inre fästpunkt mot lagerhuset som kan komma att påverka mätresultatet, smörjs denna in med WD-40 för att minimera den tröghet som kan uppstå i systemet.
Pirayan är placerad på testjiggen från det tidigare testet bredvid ett skruvstäd där en linjal är inspänd, ena änden av dynamometern fästs i linjalen och den andra i
borstkonsolens arm. Armen på borstkonsolen är modifierad med två borrade hål för att kunna fästa dynamometern för mätning både ovanifrån och underifrån. Mätpunkten i borstarmen sitter i centrum av hålet för borsten. Detta visualiseras i figur 14 nedan.
Det första som görs i testet är mätning av borsten egentyngd, för att göra detta kopplas remmen bort från borsten och borstarmen hängs upp i dynamometern. För att
minimera påverkan av trögheten i systemet släpps borsten uppifrån och underifrån och om värdena skiljer sig så tas medelvärdet av dessa värden.
Gravitationskraften som verkar på borstkonsolen på Pirayan i borstens axelcentrum mättes upp till 5,6 N med en borste monterad. När egentyngden är fastställd monteras remmen tillbaka på Pirayan och en mätning av friktionen utförs. Detta görs med hjälp utav den hjuladaptern som tidigare tagits fram för friktionsmätning tillsammans med en linjal och dynamometer, då kan momentet som krävs för att vrida axeln räknas ut. Detta värde kommer fortsättningsvis benämnas friktionsmoment.
Friktionskraften mäts upp två gånger med två olika längder på hävarmen för att försäkra sig om att friktionsmomentet blir detsamma. Första testet gav en kraft på 1 N med en hävarm på 0,2 m vilket resulterar i 0,2 Nm.
Test två utfördes med en momentarm på 0,4 m och gav en kraft på 0,5 N, detta bekräftar resultatet från det första testet med ett friktionsmoment på 0,2 Nm. När
friktionsmomentet är fastställt kopplas hjuladaptern bort och pirayan görs redo för mätning. Linjalen justeras så att borstkonsolen hänger i dynamometern för att på så sätt avläsa kraften som borstkonsolen utsätts för när pirayan backar.
Vid backningen utläses en kraft på 4,4 N, en mindre kraft än den tidigare uppmätta egentyngden av borsten. Detta beror på att kraften i remmen vid backning utgör en lyftkraft. Lyftkraften som utgörs av remmen räknas på så sätt ut som borstens egentyngd på 5,6 N minus den senare avlästa, lägre kraften på 4,4 N. Lyftkraften i remmen vid det första testet beräknas på så sätt till 1,2 N. Samtidigt som detta test utfördes kontrollerades även strömåtgången för motorn och noterades till 0,095A.
Exakt samma test utfördes nu med en ökad friktion på 0,4 Nm och resultaten noterades till en lyftkraft på 3,3 N samt en strömåtgång på 0,121 A.
Vid nästa test tillfördes ett friktionsmoment på 0,6 Nm. Detta medförde att
borstkonsolen nu lyfter vid backning vilket innebar att de tidigare mätmetoderna inte längre är användbara. Som åtgärd för problemet flyttades dynamometern ned under borsten enligt figur 15 på nästa sida för att mäta den lyftande kraften på borsten.
Figur 15: Mätning av lyftkraft
Till skillnad från tidigare tester så adderas nu den uppmätta kraften med borstens egentyngd för att på så sätt få ut den lyftande kraften från remmen. Kraften som avlästes på dynamometern var 0,5 N och adderades med egentyngden på 5,6 N vilket resulterade i en lyftande kraft på 6,1 N. Strömåtgången för motorn noterades till 0,156 A.
Exakt samma test utfördes nu med en ökad friktion på 0,8 Nm och resultaten noterades till en lyftkraft på 8,6 N samt en strömåtgång på 0,205 A.
3.3.3 Egentyngd: 1
För att undvika de lyft av borsten som sker sporadiskt när Pirayan backar så gjordes en beräkning av momentets egenvikt kring axeln. Momentet beräknades med hjälp av tvärstagets, länkarmen och borstens individuella nettovikt under vatten tillsammans med dess uppskattade längder till respektive tyngdpunkt från rotationscentrum.
Tabellen nedan visar den data som tagits fram:
Tvärstag Arm Borste
Antal 1 2 2 stycken
Tyngd 1,5 0,1 0,85 N
Längd 75 55 118 mm
0,075 0,055 0,118 m
Tabell 1: Resultat från mätning av nettovikt och längder till tyngdpunkt
I tabellen ovan finns den data som sedan används i ekvationen nedan för att få fram momentets egenvikt kring axeln.
𝑀"#$%&' = 1,5 ∗ 0,075 + 2 ∗ 0,1 ∗ 0,055 + 2 ∗ 0,85 ∗ 0,118 = 0,3241 𝑁𝑚 (1)
Den data som togs fram kan med ekvationen ovan ge oss det momentet som uppstår av borstkonsolens egenvikt kring Pirayans axel när borsten ligger parallellt med poolens botten. Figur 16 nedan illustrerar detta.
Figur 16: Hävarm till gravitationskraften.
För att få fram det moment som påverkar borsten i sin naturliga position, det vill säga när den ligger mot marken, så måste en trigonometrisk funktion användas. Det som är känt är vinkeln samt hypotenusan och det som vill beräknas är den närliggande kateten.
Detta menas att den trigonometriska funktion som behöver användas är cosinus. Denna funktion behöver dock skrivas om då det är den närliggande kateten som är av intresse.
Den närliggande katetens förhållande till hypotenusan är detsamma som förhållandet mellan Y och X i figur 17 nedan. Den närliggande kateten också kallad Y är den verkliga hävarmen då borsten ligger emot botten av poolen.
𝑐𝑜𝑠 𝑣 =;ä=%>??";@$ A"B$B
CDEFB$;GH" (2)
𝑛ä𝑟𝑙𝑖𝑔𝑔𝑎𝑛𝑑𝑒 𝑘𝑎𝑡𝑒𝑡 = 𝑐𝑜𝑠 𝑣 ∗ ℎ𝑦𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑢𝑠𝑎 (3)
Figur 17: Förändrad hävarm till gravitationskraft med förändrad vinkel.
Hypotenusan (X) är sedan tidigare känd som tvärstagets, länkarmen och borstarnas specifika längder till dess tyngdpunkter. Detta betyder att det som behöver läggas till i ekvationen för att beräkna momentet då borsten ligger i startposition är cos(v). Vinkeln på borsten 27° mättes upp i samband med mätning av vikt och längder till
Borsten lyfter då lyftkraften överstiger momentets egenvikt kring axeln (0,289 Nm), det menas också att om borsten lyfter och håller kvar sin position parallellt med poolen så är också lyftkraften högre än 0,3241 Nm.
4 Genomförande och analys
I detta kapitel beskrivs framtagningen av de idéer och koncept som tagits fram, samt vilka metoder som använts för att göra detta. Idéerna beskrivs, sållas ut, vidareutvecklas, analyseras och testas för att generera en optimal lösning som kan appliceras på Pirayan.
4.1 TRIZ Effects Database
TRIZ Effects Database används för att få en ny vinkel på problemet, vad skulle kunna tänkas användas för att lösa problemet. Denna databas går att använda till allt från framtagandet av en helt ny produkt till att utveckla en befintlig.
När TRIZ Effects Database startas finns det tre alternativ att välja, det är funktion, parameter eller omvandling. Efter detta kommer det två mindre listor, när det kommer till funktion och parameter så kommer det en lista med alternativ på vad det är som skall göras och en lista på vad som skall påverkas. För omvandling så finns det en lista på vilken form av energi som skall omvandlas och en lista på vad energin skall
omvandlas till.
Ett exempel på hur användandet av TRIZ Effects Database kan gå till: för att hitta en mekanisk lösning för att motverka lyft av borstkonsolen väljs ”Function”. I listan ”Action”
finns flera relevanta alternativ. Till exempel kan alternativet ”Resist” användas tillsammans med ”Solid” i listan ”Object”. Flera mer eller mindre relevanta resultat presenteras som till exempel ”Added Mass” och ”Spring”. Att lägga till vikt faller utanför de mål som tagits fram med PirTec medans förslaget med fjäder gav upphov till idéer.
Detta gjordes flera gånger med olika funktionsalternativ för att få fler infallsvinklar på vad som skulle kunna tänkas användas för att lösa problematiken med den lyftande borstkonsolen.
4.2 Genererade idéer
4.2.1 Tryckfjäder
Det första lösningsförslaget för att motverka lyftkraften var att sätta en tryckfjäder som trycker ner borsten som då kompenserar lyftkraften från remmen. Tryckfjädern
monteras fast på Pirayans hus och uträttar kraften mot borstkonsolens armar alternativt tvärstaget.
Fjädern skall dimensioneras utifrån tester och beräkningar för att minimera den kraft som borstkonsolen utsätts för samtidigt som den förser tillräcklig kraft för att hålla nere borstkonsolen. Om en för stor kraft trycker ner på borstkonsolen så finns risken att borsten inte längre rör sig upp när det behövs utan att hela Pirayan istället lyfter och problemet med förlorat grepp uppstår.
4.2.2 Vridfjäder
Vridfjädern är en vidareutveckling på tryckfjädern med samma princip men i ett annat utförande. Vridfjädern monteras runt Pirayans lagerhus med hjälp av en klämma vilket är en väl integrerad design och som hjälper Pirayan med att hålla borstkonsolen mot marken.
Genom tester på de krafter som påverkar borstkonsolen kan en fjäder med rätta
dimensioner kunna tas fram. Fjädern måste vara tillräckligt stark så att den klarar av att hålla nere borsten samtidigt inte för stark så att Pirayan lyfter vid lutande plan eller ojämnheter på poolens botten.
4.2.3 Frihjul
Om borsten inte längre roterar vid backning av Pirayan kommer inte heller någon lyftkraft ifrån denna att uppstå enligt den problemanalys som gjorts. Ett frihjul är en kopplingskonstruktion som frikopplar den utgående axeln vid rotation åt ett av hållen och driver alternativt låser åt det motsatta. Denna teknik används till exempel i bakhjul på cyklar som tillåter cyklisten att sluta trampa även när cykeln rullar, vilket var
inspirationen till denna idé.
Om ett frihjul monteras på borsten tas det hydrodynamiska motståndet samt
tröghetsmomentet av borsten ut ur ekvationen och lyftkraften kommer därför att sjunka.
Görs konstruktionen bra kan även friktionen komma att minska vilket även det innebär en minskad lyftkraft.
För att denna lösning ska kunna appliceras måste borsten få en ny design i form av en tvådelad borste för att kunna montera frihjulet i linje med remdriften.
4.2.4 Kullager
Då en av de identifierade grundorsakerna till problemet är friktionen mellan borsten och borstarmen togs idén att minimera denna friktion med hjälp av ett kullager fram. På grund av Pirayans arbetsmiljö valdes konventionella kullager i metall bort mot kullager tillverkade av plast med glaskulor.
Kullagren monteras på de gamla glidlagerytorna och nya borstarmar tas fram som plastkullagrena klickas in i med samma princip som tidigare glidlager. Denna lösning
4.3 Concept scoring
Tabell 2: Concept scoring.
För att välja fram de idéer som löser problemet på bästa möjliga sätt så används concept scoring. I concept scoring viktas kriterierna som tagits fram och med hjälp av
poängsättningen och en summation så kan en verklig siffra tas fram om vilken metod som är att föredra och hur bra den är i förhållande till resterande produkter.
Till vänster står de valda kriterierna, höger om dessa så står viktning, detta innebär hur stor betydelse det valda kriteriet är för kunden, dessa summeras till 100%
(Användarvänlighet 0,15 [=15%]). De idéer som tagits fram och utvecklats är följande:
frihjul, tryckfjäder, vridfjäder, plastkullager, stålaxel och glidlager.
De valda lösningsmetoderna får sedan ett betyg mellan 1 och 5 beroende på hur bra de klarar av det valda kriteriet, 5 är det högsta och bästa betyget. Betyget multipliceras med vikten som det valda kriteriet har och summeras. De två lösningsmetoder som fick högst betyg efter summation var vridfjäder på 4,1 och frihjul på 3,9 (av 5 möjliga).
Dessa resultat presenterades inför PirTec och även dom tog ett gemensamt beslut om att just vridfjäder- och frihjulskonceptet skall vidareutvecklas.
4.3.1 Frihjul
Tanken med frihjulet grundar sig i att problematiken endast uppstår när Pirayan backar.
Den följande frågeställningen till denna tanke var om borsten verkligen behöver rotera vid backning. I en analys av Pirayans olika körprogram syns de små partier av poolen som backning utförs över alltid körs över vid drivning framåt. Backningssekvensen utförs på samma sätt i både rektangulära och friformspooler, vilket innebär att
lösningsförslaget är applicerbart för pirayans båda program. Hur pirayan backar visas i figur 18 nedan.
Figur 18: Analys av Pirayans rörelsemönster. Röd markering illustrerar vart borstning utförs vid backning. Grön
markering illustrerar borstning vid drivning framåt.
Om ett frihjul monteras på borsten tas det hydrodynamiska motståndet samt
tröghetsmomentet av borsten ut ur ekvationen och lyftkraften kommer därför att sjunka drastiskt. Lyftkraften från dessa parametrar försvinner då borsten inte längre kommer rotera utan endast den upplagrade anläggningsytan för remmen roteras. Den mycket lägre massan och den släta profilen ger upphov till väldigt mycket lägre tröghetsmoment
Med denna lösning är målet att påverka Pirayan så lite som möjligt och göra
implementering enkelt genom att påverka så få komponenter som möjligt. På så sätt undviks problematiken med olika årsmodeller som kräver olika reservdelar och att behöva lagerhålla olika versioner av komponenter med samma funktion.
För att kunna implementera ett frihjul på dagens Piraya måste dock borsten delas upp i två delar för att kunna placera frihjulet i linje med remdriften. En lösning för hur
borstarna skall tillverkas och sättas ihop måste därför tas fram tillsammans med en infästning av frihjulet. Att endast borsten modifieras och är utbytbar helt utan
modifikationer till en Piraya med en äldre borste är mycket fördelaktigt då borsten är en slitagedel som ofta byts ut. Detta gör att borstarna succesivt kan bytas ut i samband med service för en sömlös implementering av den nya tekniken.
En annan lösning som kräver en designändring av hjulen är att flytta ut remdriften från insidan av hjulen till utsidan. På så sätt behövs inte längre borsten tillverkas som två separata delar, vilket tillåter en enklare tillverknings-och monteringsprocess samt en potentiell viktbesparing. Den största fördelen att montera remdriften på utsidan av hjulet är att detta underlättar för kunden vid demontering av borstarna för rengöring då remmarna inte längre behöver träs över borsten och hjulet, utan enkelt dras av utåt.
4.3.1.1 Framtagning av prototyp
För att kunna testa funktionen av idén med frihjulet skapades en 3D-printad prototyp.
Med denna prototypframtagning undersöktes även möjligheten att ta fram ett lösningsförslag som PirTec själva kan producera tillsammans med sina
underleverantörer.
Den första prototypen skapades enbart för att testa funktionen av mekanismen och undersöka hur olika fjädringslösningar fungerar. Fokus låg på att ta fram en mekanism som roterade lätt vid frikoppling och samtidigt stadigt låste åt motsatt riktad rotation.
En process för att ta fram ett helt egendesignat frihjul påbörjades genom iterativ modellering med hjälp av sammanställningar och 3D-utskrifter.
Den första fungerande iteration består av 7 komponenter, varav fem stycken 3D- printade delar och två fjädertrådar. Antalet tänder i ytterringen är jämnt och låsningständerna är positionerade 180 grader från varandra, vilket innebär en symmetrisk låsning av båda tänderna samtidigt för att undvika snedbelastning.
Ett ojämnt antal tänder hade gett en högre upplösning av antal stoppunkter med ett osymmetriskt lastfall som följd, något som valdes bort i detta steg av processen på grund av material och toleranser.
I figur 20 nedan visas den första fungerande mekanismen som även 3D-printades och sedan vidareutvecklades för att passa på borsten.
Figur 20: Första prototypen för illustration av frihjul
Nästa iteration av frihjulet utvecklades primärt för att kunna monteras på borstarmen för att undersöka möjligheten för implementering. Ett spår för remdriften placerades i ytterringen som då tillåter remmen att driva borsten via frihjulet. Eftersom frihjulet skall monteras mellan två borstsektioner måste en genomgående axel gå genom frihjulet och på så sätt koppla samman de två borstsektionerna. För att koppla in frihjulet mot borstsektionerna togs två monteringsplattor fram. Dessa plattor är försedda med fyra hål för montering mot borstarna, samt ett hål i centrum av plattan för att monteras mot frihjulet. Hela sammanställnings syns i figur 21 nedan.
Utöver monteringsmöjligheterna förbättrades även mekanismen, tänderna gjordes bland annat brantare för att få en säkrare låsningsmekanism. Ett större utrymme till fjädertrådarna skapades för att ge mer plats för dessa att kunna röra sig fritt.
Låsningständerna fästs nu även med fingängade skruvar genom två plattor på vardera sidan av innerringen för att kunna ta upp ett större moment jämfört mot de tidigare integrerade plastaxlarna.
Designen av innerringen gjordes även om helt på grund av kravet med den
genomgående axeln. Då tanken är att två stycken frihjul skall monteras på Pirayan krävs två olika versioner som är spegelvända mot varandra. För att förenkla framtida arbete och i framtiden minska lagerhållning och antal olika komponenter gjordes innerringen helt symmetrisk vilket innebär att den kommer att passa på båda sidor av borstkonsolen.
Vid provmontering av lösningen med plattorna beslöts att en ny lösning måste tas fram på grund av den låga stabiliteten i systemet med de många olika gränssnitten. Målet med den nya iterationen var att skapa ett system som använde sig av en genomgående bult som höll samman hela frihjulet.
Då den förra mekanismen fungerade mycket väl gjordes inga designändringar i frihjulet, endast infästningen och den genomgående axeln ändrades. Istället för en integrerad plastaxel i frihjulet pressades hela frihjulet på en bult med ett slipat spår som tillåter frihjulets innerhjul att låsas mot borsten. Denna slutgiltiga lösning illustreras i figur 22 nedan.
Figur 22: Slutgiltig lösning för testning av konceptet med frihjul.
4.3.2 Vridfjäder
Idén ligger i att beräkna en vridfjäder som klarar av att motstå de krafter som kan komma att påverka borstens arm med en så liten marginal som möjligt. Detta medför att fjädern säkert kommer hålla nere borstkonsolen så att borsten konstant ligger emot botten av poolen med en bibehållen rörlighet. Om fjädern är för kraftig riskerar hela Pirayan att lyftas istället för enbart borsmodulen.
Montering av fjädern på Pirayans lagerhus sker enkelt med en klämma som spänns med hjälp av en genomgående bult. Klämman har ett spår som tillåter fjädern att klämmas fast och hållas på plats utan att modifiera några befintliga komponenter.
Pirayans lagerhus har förändrats under projektets gång, detta är dock inget som
påverkar lösningsförslaget då lagerhusets diameter är oförändrad. Detta är positivt inför framtida förändringar och justeringar på Pirayan, vridfjädern samt klämman kommer alltid fungera så länge diametern på lagerhuset är densamma.
Fjäderns innerdiameter kommer att vara större än axeln, detta på grund av att fjäderns innerdiameter kommer att reduceras vid höjning av borsten. För att fjädern inte skall bli för hård eller mjuk så kommer en beräkning göras på fjäderkonstanten. Detta går att bestämma tillsammans med ett bestämt vridmoment som sätts med hjälp utav tidigare tester som genomförts där lyftkraften mättes upp.
De största fördelarna med att applicera en vridfjäder är att den har hög pålitlighet och hållbarhet utan att den kräver en lång och komplicerad service. Om klämman för fjädern eller om fjädern havererar så är det lätt utbytbara komponenter som endast ökar
servicetiden marginellt. Hur lösningen ser ut monterad på Pirayan visualiseras i figur 23 nedan.
Vridfjädern är ett bra alternativ för en billig lösning som har en minimal påverkan på den befintliga produkten som samtidigt ser till att det inte uppstår problem vid backning.
Den låga vikten på Pirayan är en viktig punkt för PirTec och vridfjädern är en bra lösning till detta problem då de komponenter som läggs till på den befintliga produkten är lätta.
Den större delen av PirTec:s kunder kommer inte märka av någon större skillnad när det kommer till användandet eller rengöring av Pirayan. De kunder som behöver tänka på förändringarna är de som kör Pirayan på plastduk. Om Pirayan skall köras på
plastduk så monteras borsthållaren av, roteras 180˚ och monteras sedan igen så att kjolen riktas uppåt snarare än nedåt. När detta genomförs måste kunden se till att vridfjäderns ben ligger ovanpå borstens arm. Om vridfjäderns ben inte ligger ovanpå borstens arm så kommer fjärden inte längre behålla sin funktion med att hålla nere borsten.
Figur 24: Första och funktionella fjäderprototypen
5 Resultat och diskussion
Här skapas en diskussion kring de tester som utförts och den data som samlats in under faktainsamlingsfasen. Utöver detta görs även en presentation av de två slutgiltiga
koncepten som tagits fram med för och nackdelar för respektive koncept.
5.1 Diskussion
Tre olika tester har utförts för att visa vad som orsakar problemet med att
borstkonsolen lyfter. På grund av att problemet är multifaktoriellt krävs en analys av olika tester samt att vissa antaganden måste göras för att kunna koppla samman testerna. De två största faktorerna som tros ligga till grund till problemet är friktion samt det hydrodynamiska motståndet för borstarna. Ett av målen med testerna var att få en uppfattning om proportionerna mellan dessa två faktorer.
Ett antagande som gjordes innan testerna påbörjades var att lyftkraften som
genererades var av ungefär samma storlek som borstkonsolens nettovikt i vatten. Detta antagande grundade sig i att problemet är sporadiskt. Detta betyder alltså att lyftkraften ibland är större än nettovikten vilket då lyfter borsten och ibland mindre vilket leder till att borstkonsolen inte lyfter.
Ett ytterligare antagande gjordes att en viss strömökning för pålagd friktion genererar lika mycket lyftkraft som samma strömökning skapad av det hydrodynamiska
motståndet. Detta antagande gjordes då båda faktorerna är dynamiska motstånd kring samma axel och därför också kan antagas som vridmoment. Dessa två vridmoment påverkar kraften i remmen på samma sätt, vilket i sin tur medför en lika stor lyftkraft, oberoende vad grundorsaken till motståndet är.
Ett basvärde för hur mycket ström maskinen drar utan pålagd friktion eller hydrodynamiskt motstånd mättes upp till 86 mA. Strömmätningen för det
hydrodynamiska motståndet gav en ökning på ca 18 mA uppmätt med en borste.
Vid analys av dessa värden upptäcktes att enbart det hydrodynamiska motståndet med två borstar ger upphov till en beräknad strömåtgång på 122 mA, vilket är högre än strömåtgången för test T_2 som illustreras i tabell 3 nedan. Eftersom att lyftmomentet i detta test är högre än borstkonsolens egentyngd innebär detta enligt vår analys att enbart det hydrodynamiska motståndet ger upphov till att borsten lyfter.
Denna information innebär att antagandet kring att lyftkraften bör vara lika stor borstkonsolens nettovikt i vatten är helt felaktigt. PirTec kontaktades och blev informerade om upptäckten och ett kontrolltest gjordes för att undersöka om
borstkonsolen alltid lyfter utan undertryck från pumpen. Det visade sig att lyftkraften på borstkonsolen är mycket större än tidigare antaget och att borstkonsolen alltid lyfter om inte pumpen är på och skapar ett undertryck under sugplåten. Detta innebär att
proportionerna mellan det hydrodynamiska motståndet och friktionen inte längre kan beräknas.
Vi kan med den insamlade data uppskatta lyftkraften från det hydrodynamiska motståndet till cirka 0,39 Nm. Den mest relevanta data från testerna är sammanställd och redovisad i tabell 3 på föregående sida.
5.2 Resultat
Två funktionella prototyper har tagits fram och utvecklats utifrån de mål som tidigare satts upp tillsammans med PirTec. Det första målet som togs fram var: ”För att hålla nere vikten på slutprodukten skall viktpåslaget av lösningen inte överstiga 100 gram.”.
Konceptet med frihjulet approximeras med ett totalt viktpåslag på 80 gram och den fungerande prototypen för fjäderkonceptet väger 31 gram.
Nästa mål som specificerades i början av examensarbetet var: ”Borsmodulen skall inte vara beroende av undertrycket då detta kan variera. För att helt eliminera denna faktor skall borstkonsolen inte lyfta vid backning trots pumpen är avstängd.”. Frihjulet
eliminerar uppkomsten av lyftkraft vilket i sin tur medför att borstkonsolen inte kommer lyfta, oavsett om pumpen är på eller inte. Till skillnad från frihjulet så motverkar fjädern lyftkraften som uppstår, istället för att eliminera den. Även denna lösning är oberoende av undertrycket.
Det tredje och sista målet som togs fram var: ”Borstkonsolen skall gå att montera och demontera utan verktyg för att påverka enkelheten för slutanvändaren minimalt.”. Båda koncepten är framtagna och utvecklade så att slutanvändaren inte skall behöva använda sig utav verktyg. För montering och demontering av lösningarna på Pirayan krävs enklare verktyg, något som alltså inte är en del av de arbetsuppgifter som
slutanvändaren utför. Vid montering och demontering av en borste som använder sig utav frihjulslösningen så kommer inte slutanvändaren uppleva någon skillnad. När det kommer till fjäderlösningen så behöver slutanvändaren tänka på att fjäderns ben ligger
5.2.1 Frihjul
Den största och främsta fördelen med frihjulet är att den eliminerar den absoluta majoriteten av de faktorer som specificerats som grundorsaker till lyftkraften. Det hydrodynamiska motståndet minskar drastiskt då borstelementen inte längre roterar vid backning. Den enda friktion som uppstår är i frihjulets egna lagring vilket antages vara betydligt mindre än borstens glidlager. Massan på de roterande elementen vid backning minskar även enormt vilket i sin tur minimerar tröghetsmomentet.
Detta koncept löser problemet med en lyftande borstkonsol med liten påverkan på den övriga maskinen men den har även sina nackdelar som listas nedan:
• Frihjulet är ett finmekaniskt system som kan vara känsligt för de svåra miljöomständigheterna.
• Borsten kräver en ny delbar design för att kunna implementera konceptet, alternativt en omflyttning av remdriften
• Genomgående testning krävs för kontroll av inköpta frihjul.
• Avsevärt mycket dyrare än fjäderlösningen
• Tyngre än fjäderlösningen
5.2.2 Fjäder
Fördelarna med fjäderlösningarna är många och grundas till stor del på enkelheten. En lista på de positiva egenskaperna för lösningen listas nedan:
• Lättimplementerad lösning som kan monteras direkt på befintliga Pirayor utan modifikationer.
• Simpelt system med endast två komponenter.
• Låg kostnad i förhållande till frihjulslösningen.
• Låg vikt i förhållande till maximalt tillåtet viktpåslag.
• Lättservad.
Den största nackdelen med denna lösning är svårigheten att bestämma vilken kraft som fjädern skall trycka mot borsten. En för svag fjäder kommer inte lyckas motarbeta
lyftkraften och på så sätt inte fylla någon funktion. En för kraftfull fjäder riskerar att lyfta Pirayan från botten när den skall köra upp på ett sluttande plan eller köra över en
ojämnhet på botten.
6 Slutsats
I detta kapitel redovisas att de mål som satts upp för examensarbetet är uppnådda. En tillbakablick på det utförda arbetet ur studenternas perspektiv utförs i form av en egenvärdering där metoder och arbetssätt utvärderas.
6.1 Mål
Det huvudsakliga målet med projektet att ta fram och utveckla ett eller flera koncept för att lösa problematiken med den lyftande borstkonsolen har uppfyllts. Även målen för koncepten är uppfyllda men fortsatt ingenjörsmässig beaktning av dessa krävs vid vidare framtagning av slutprodukten för att inte förlora de uppnådda målen.
• För att hålla nere vikten på slutprodukten skall viktpåslaget av lösningen inte överstiga 100 gram.
o Det approximerade viktpåslaget för:
§ frihjulskonceptet är 80 gram.
§ vridfjäderkonceptet är 31 gram.
• Borstkonsolen skall inte vara beroende av undertrycket då detta kan variera. För att helt eliminera denna faktor skall borstkonsolen inte lyfta vid backning trots att pumpen är avstängd.
o Kraftutjämningen av de två koncepten är inte på något sätt beroende av undertrycket och fungerar därför när pumpen är avstängd.
• Borstkonsolen skall gå att montera och demontera utan verktyg för att påverka enkelheten för slutanvändaren minimalt.
o De två koncepten påverkar inte möjligheten att montera och demontera borstkonsolen utan verktyg.
Som studenter var även målet för examensarbetet fortsatt lärande och utveckling inom självständigt arbete mot mål delade med en uppdragsgivare. Fokus låg på att ta fram egna data utifrån tester och observationer av den specificerade problematiken. Detta gjordes för att skapa en djupare förståelse, både för problematiken i sig men även för allmän testning och mätteknik för liknande uppdrag i framtida situationer.
6.2 Egenvärdering
Hela examensarbetet har varit en lärandeprocess och har självklart inte varit perfekt. Vi som studenter är nöjda med vad vi kommit fram till och så även PirTec. Flera moment hade kunnat göras bättre, bland annat den första delen i faktainsamlingsfasen. Vid tidigare arbeten som vi studenter utfört har ofta de olika områdena för faktainsamling varit så gott som självklara. Då problemet i vårat examensarbete är specifikt för PirTec och just deras produkt finns väldigt lite relevant generell information att tillgå på nätet och i tillgänglig litteratur. På grund av detta gick mycket tid åt att försöka hitta relevant information, utan resultat.
Då de tester som utfördes är något som är nytt för oss som studenter så var
tillvägagångssättet inte självklart. Vi fick göra egna bedömningar och antaganden för att kunna ta oss vidare med testerna och få ut relevant data. Ett felaktigt antagande ledde till att ett av målen för testerna inte kunde uppnås, något som hade kunnat undvikas om testerna gjorts i mer verklighetstrogna miljöer. Att simuleringar av problem bör göras så nära den faktiska miljön som möjligt för att på så sätt minimera antalet antaganden som måste göras var något som blev självklart efter testerna analyserats.
Prototyperna som tillverkats bevisar att koncepten som tagits fram fungerar och att dessa är lämpliga att fortsätta utveckla. Erfarenhet från tidigare kurser har lett till att modellering och utskrift av prototyper varit väldigt tidseffektiv och mycket få problem har uppstått.
7 Rekommendationer
För att PirTec ska kunna ta upp arbetet efter examensarbetets slut görs
rekommendationer för de två koncept som tagits fram. För ytterligare vidareutveckling för att ta fram färdiga komponenter som kan implementeras på Pirayan rekommenderas att fortsätta med de två koncepten, vridfjädern och frihjulet. För att kunna ta fram
slutliga produkter krävs vidare testning i verkliga miljöer, samt vissa ytterligare beräkningar.
7.1.1 Vridfjäder
För att fortsätta utveckla vridfjädern krävs primärt en undersökning av vilka lyftkrafter som faktiskt uppstår på borstkonsolen i dagligt bruk på en Piraya och sedan med hjälp av denna data ta fram en lämplig vridfjäder. Vridfjädern skall då motverka de krafter som uppstår vid normalt bruk med liten marginal för att påverka resterande drift minimalt.
En förspänd fjäder kan användas för att på så sätt få en lägre skillnad mellan kraften på borsten vid högsta respektive lägsta läget. Denna förspänning kan antingen verka konstant på borstkonsolen, även i det lägsta läget, men en rekommendation är att bygga in ett integrerat stopp i fjäderinfästningen för att på så sätt inte påverka borsten vid normal drift framåt. Detta kan innebära förändrad karaktäristik av pirayan och en ökad strömkonsumtion då friktionen mellan borsten och poolens botten kommer att öka då normalkraften ökar.
Vidare kontroller måste göras att en fjäder med tillräcklig styrka för att hålla nere borstkonsolen vid backning även tillåter att borstkonsolen lyfter när det behövs, utan att själva pirayan lyfts från poolens botten. Detta innebär att lösningen skulle bli
kontraproduktiv och orsaka de problem som den är designad för att lösa, om hjulen lyfts från marken vid till exempel sluttningar eller ojämnheter på botten av poolen.
Detta koncept kan snabbt implementeras och testas på Pirayan utan övriga
modifikationer och rekommenderas därför som den första lösningen på problemet.
7.1.2 Frihjul
Till skillnad från fjäderlösningen så eliminerar frihjulet uppkomsten till att
borstkonsolen lyfter och kan därför anses som en bättre lösning, dock så kräver frihjulet en mer omfattande process för att sättas i bruk.
Först måste en pålitlig leverantör hittas som levererar produkter med en jämn och hög kvalitet av rätt material som klarar av den aggressiva miljö som produkten skall arbeta i.
När ett frihjul har valts måste olika typer av stresstest genomföras för att kunna approximera livslängden på lösningsförslaget.
För att något av detta skall vara möjligt måste en ny delbar design på borstkonsolen tas fram för att placera spåret för drivremmen på borsten i linje med hjulets spår.
Ett ytterligare förslag är att konstruera om hjulen och placera spåret för remmen på utsidan. Även detta kommer innebära en ny design på borstelementen men de kommer inte längre behöva vara delbara. Detta förenklar därför tillverkningsprocessen och minskar viktpåslaget då ingen lösning för att sammanfoga de två delarna av borsten krävs.
Detta förslag förenklar implementeringen av frihjulet och kommer också att förenkla montering och demontering av remmarna och då även förenkla service och rengöring av maskinen för slutanvändaren.
Källförteckning
Bok
Olsson, 2015;
Maskinelement
ISBN: 9789147114832
Ulrich and Eppinger, 2015
Predictive design methodology for NPD
Elektroniska källor
Chennu, 2017;
https://me-mechanicalengineering.com/belt-drives/
IEEE, 2015;
https://www.globalspec.com/learnmore/motion_controls/power_transmission_mecha nical/round_belt_pulleys
Odesie, 2014;
https://www.myodesie.com/wiki/index/returnEntry/id/3065
Jimi, 2015;
http://powertransmissiondkm6c.blogspot.com
PirTec, 2010;
http://www.pirtec.se/data.htm
Bilagor
