EXAMENSARBETE INOM MASKINTEKNIK,
Innovation och design, högskoleingenjör 15 hp
SÖDERTÄLJE, SVERIGE 2018
Konstruktion av
upphängningsanordning till
T22 provrigg
{Plats för underrubrik som sträcker
sig över en rad eller två rader}
Simon KasseliaJohannes Touma
SKOLAN FÖR INDUSTRIELL TEKNIK OCH MANAGEMENT
Konstruktion av upphängningsanordning till
T22 provrigg
av
Simon Kasselia
Johannes Touma
{Infoga bild} Examensarbete TRITA-ITM-EX 2020:374 KTH Industriell teknik och managementExamensarbete TRITA-ITM-EX 2020:374 Konstruktion av upphängningsanordning till T22
provrigg
Simon Kasselia Johannes Touma
Godkänt
2020-06-16 Examinator KTH Mark W. Lange Handledare KTH Mark W. Lange
Uppdragsgivare
SCANIA CV AB
Företagskontakt/handledare
Gustav Göransson
Sammanfattning
Detta examensarbete går ut på att konstruera en upphängningsanordning för en provrigg på Scania. Scania har i dagsläget ett flertal olika provriggar, en provrigg de har är T22. Syftet med detta arbete är att utveckla en fixtur som har egenskapen att stödja en tung växellåda så den utgående axeln på växellådan kan provas i provriggen T22. Metoden som används för denna utveckling består av flera moment där den första delen är att mäta nuvarande mått på växellådan och modellera en fixtur med hjälp av de mått som tagits i CAD-programmet CATIA. Därefter kan fixturen som konstruerats i CATIA sammanställas ihop med växellådan för att se om
dimensionerna stämmer. När sammanställningen har genomförts kan mekaniska analyser utföras och sedan avslutas med tester.
Resultatet av projektet blev en upphängningsanordning som monteras på Scanias växellådor som i sin tur kopplas ihop med provrigg T22. Scanias befintliga komponenter som lyftbalk och cirkulär konsol användes och kompletterades med armar som möjliggör att montera växellådan bakifrån i provrigg T22.
Av det här resultatet kan vi dra slutsatsen att Scania kan montera fixturen på de allra flesta GW växellådorna och utföra mätningar via provriggen T22.
Nyckelord
Bachelor of Science Thesis TRITA-ITM-EX 2020:374 {Title} Simon Kasselia Johannes Touma Approved
2020-06-16 Examiner KTH Mark W. Lange Supervisor KTH Mark W. Lange
Commissioner
{Name} Contact person at company Gustav Göransson
Abstract
This thesis is about designing a suspension device for a test rig at Scania. Scania currently has several different test rigs, one test rig they have is T22. The purpose of this work is to develop a fixture that has the property of supporting a large gearbox so that the output shaft of the gearbox can be tested in the test rig T22. The method used for this development consists of several parts where the first part is to measure the current dimensions of the gearbox and then create a fixture in the CAD program CATIA V5 adapted to the dimensions taken before on the gearbox. Then the fixture constructed in CATIA V5 can be assembled with the gearbox to check if the
dimensions are correct and fits together. Once the compilation has been completed, mechanical analyzes can be performed and then conclude with tests.
The result of the project was a suspension device that is mounted on Scania's gearboxes which in turn are connected to test rig T22. Scania's existing components such as lifting beam and circular adapter were used and supplemented with arms that allow the gearbox to be mounted from behind in test rig T22.
From this result we can conclude that Scania can mount the fixture on most GW gearboxes and perform measurements using the test rig T22.
Key-words
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 8 1.1 Bakgrund ... 8 1.2 Problembeskrivning ... 9 1.3 Syfte ... 10 1.4 Mål ... 10 1.5 Lösningsmetod ... 11 1.6 Kravlista ... 12 1.7 Avgränsningar ... 12 1.8 Produktutvecklingsprocess ... 12 1.9 Backcasting ... 13 2 Kundbehovsanalys ... 142.1 QFD - Quality Function Deployment ... 14
2.2 Kano-modellen ... 15
2.3 Tillfredställelse kontra funktionalitet: ... 15
2.4 De fyra funktionskategorierna: ... 17 2.4.1 Performance ... 17 2.4.2 Must-be ... 18 2.4.3 Attractive ... 19 2.4.4 Indifferent ... 20 3 Konceptanalys ... 22 3.1 Slutsats ... 23 4 Faktainsamling ... 25 4.1 Stål ... 25 4.1.1 Konstruktionsstål ... 25 4.2 Svetsning ... 27 4.2.1 Svetsmetoder ... 27
4.2.2 Metallbågsvetsning med belagda elektroder (MMA) ... 29
4.2.3 Svetsning av konstruktionsstål ... 32
5 Genomförande ... 35
5.1 Idégenerering ... 35
5.2 Koncept för fixtur ... 36
5.3 FEM & FEA ... 39
5.3.1 Simulerings definitioner ... 39
5.3.2 FEM – Finite Element Method ... 40
5.3.3 FEA resultat av slutgiltiga beräkningar ... 42
5.4 Förflyttning ... 44
6 Lyft av fixtur ... 45
7 Resultat ... 47
7.1 Lyft av fixtur ... 49
7.2 Monteringsanvisning ... 51
8 Diskussion & slutsats ... 52
9 Framtida rekommendationer ... 54
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Scania AB är ett av de världsledande företagen inom tunga fordon. Deras utbud av lastbilar och bussar är brett då varje fordon är unikt och används runt om i världen som transportmedel med olika typer av laster. Scania ligger även i framkant när det gäller utveckling av hållbara transporter som samtidigt erbjuder ett brett utbud av motorer för alternativa drivmedel för buss och lastbil. En bidragande faktor till att Scania är marknadsledande är för att kunden är i centrum, varje fordon kan anpassas enligt kundens behov så att kunden skall kunna
genomföra sina körningar på bäst möjliga sätt. Scania är även känd för sin kvalité då det utförs prover på växellådor, motorer etc. med hjälp av olika provriggar för att breda ut utvecklingsmöjligheterna. Idag har behovet att utföra prover på baksidan av flera växellådor (planetväxel) från utgående-axel dykt upp då det i den främre delen av växellådan
(huvudlåda) går att utföra prover från ingående-axel.
1.2 Problembeskrivning
Provriggen fungerar på följande sätt:
Växellådan hängs upp i framkant på riggen där ingående axel på växellådan kopplas ihop med riggens elmotor, se figur 1. På elmotorn sitter ett momentnav som mäter det moment som krävs för att rotera växellådans axel vid olika hastigheter på elmotorn.
Scania har ett behov av att kunna driva växellådan bakifrån (planetväxel) via växellådans utgående-axel. Detta är inte möjligt i T22 eftersom riggen enbart är konstruerad för att hänga upp växellådor i framkant (se figur 2). Då växellådan hänger i framkant går det att mäta hela växellådan genom att sätta dit en växel och man kan dessutom välja att enbart mäta den främre delen (då sätts bakdelen i friläge). Behovet är att endast mäta den bakre delen av växellådan (främre del sätts i friläge) och för att möjliggöra drivning bakifrån så krävs någon typ av fixtur, se figur 2 och 3.
Figur 1: Rigg T22 med växellåda upphängd i framkant, 1) huvudlåda, 2) planetväxel.
1
1.3 Syfte
Syftet med detta projekt är att kunna utföra mätningar på bakdelen av de nya växellådorna (GW-modell) samt på de befintliga växellådorna för att endast mäta förlusterna på bakdelen och breda utvecklingsmöjligheterna.
1.4 Mål
Målet med examensarbetet är att konstruera en upphängningsanordning för GW växellådor som möjliggör drivning från den utgående axeln med GW33 växellådor som utgångspunkt i provrigg T22.
1.5 Lösningsmetod
Lösningsmetoderna är implementerade i projektprocessen och vart i processen dem används, se figur 4 rödmarkering.
1.6 Kravlista
Se tabell 1 för kravlista som blir utgångspunkten för detta arbete.
Nr Krav
1 Fixturen ska möjliggöra att det går att köra en GW växellåda bakifrån (utgående axel)
i T22 (helst samtliga utförande d.v.s. går att göra avsteg ifrån om detta förenklar konstruktionen).
2 Fixturen ska vara säker och uppfylla de krav Scania ställer på sådana fixturer (CE
märkning, maskindirektiv etc.).
3 Fixturen skall vara tillverkningsbar.
4 Man måste komma åt G6:an på sidan och luftanslutningen på baksidan när man
kopplar den på riggen. Det behöver inte vara helt öppet och man behöver inte byta ut G6:a, men kontakten måste vara nåbar.
5 Oljepåfyllningslock och oljedräneringshål bör vara tillgängliga.
6 Slusslock bör vara tillgängligt så man kan koppla på en slags slinga med
tryck/temperaturgivare.
7 Framsidan bör vara öppen så man kan sätta på t.ex. frontcover i plast och studera
oljeflöden.
8 Beakta tyngdpunktsbegränsningar på riggen.
1.7 Avgränsningar
• Fixturen designas för provrigg T22. Dvs. ingen anpassning kommer tas hänsyn till på övriga provriggar.
• Hänsyn tas inte till alla utföranden av växellådor. Finns det varianter som har stor inverkan på komplexiteten på konstruktionen så kommer dessa bortses från (i samråd med Scania).
1.8 Produktutvecklingsprocess
Produktutvecklingsprocess används för att utveckla en idé till en produkt eller för att förbättra en befintlig produkt. Projektet är indelat i fyra olika faser vars syfte är att nå målet. Varje fas går igenom ett antal aktiviteter som kommer att avgöra projektets resultat. Fasernas innebörd och syfte definieras i produktutvecklingsprocessen som agerar som stöd för att minska risken att avvika projektets mål och syfte. Mellan faserna finns en aktivitet planerad som ska utföras vid varje avslutad samt påbörjad fas.
Första fasen är projektets inledning som består av bakgrund, problembeskrivning, syfte, mål, lösningsmetod, avgränsningar och kravlista som måste identifieras, denna fas sätter grunden för projektet. Därefter kommer en planeringsfas som även är ett faktainsamlingskapitel där väsentlig information samlas in och kommer att användas för arbetet under den genomförande fasen. Under genomförandefasen finns risken att upptäckten av otillräckliga fakta, därför har en aktivitet skapats med benämningen ”kompletterande fakta”. Fas fyra vars benämning är resultatfas är där resultatet av projektet ska presenteras i form av rapport, teknisk presentation samt en poster.
1.9 Backcasting
Backcasting är en metod som används för att identifiera aktiviteter i ett projekt. När målet för ett projekt är definierat utförs en stegvis identifiering av lämplig aktivitet som behövs för att uppnå momentet ovan, dvs. att faserna bryts ner från produktutveckling till mindre delar. Efter att ha utfört en grovplan har aktiviteterna satts upp och delats in i olika faser. Resultatet av projektet kommer att beskrivas i rapporteringsfasen med prototypframtagning , CAD o.s.v. Framtagandet av resultatet kommer främst ske i genomförandefasen med grund i
faktainsamling som i slutet hamnar i inledningskapitlet under projektdefinition. Markering har placerats ut mellan projektdefinitionen och faserna för att illustrera vilken betydelse
2 Kundbehovsanalys
2.1 QFD - Quality Function Deployment
Detta är en metod som används för att omvandla användarkrav till design med kvalitetstänk. Fokus med denna metod är att uppnå högre kvalitet genom att utforma funktionerna hos delsystem eller beståndsdelar av en produkt utefter användarens krav.
Figur 5: Sammanställd QFD utifrån Scanias behov.
Figur 5 visar en utförd QFD för att få en visuell bild över vad Scania behöver, och hur deras behov ska mötas. Vissa krav har starkare koppling till Scanias behov än andra, och vissa krav har inte en koppling alls. Scanias krav för konstruktionen är kategoriserad på ”Demanded Quality” (som även kallas för ”Customer Requirements” eller ”whats”). ”Quality
Characteristics” är funktionella krav som även kallas för ”Hows”, vilket innebär hur behovet ska lösas. QFD-modellen visar även vad konstruktörerna skall lägga mest fokus på för att uppfylla Scanias krav och behov. Konstruktörerna strävar mot att uppnå målet samtidigt som man vill tillfredsställa Scanias behov. För att få en illustration över tillfredsställelse kontra funktionalitet har en Kano-modell (se nedan) utförts då det är viktigt att hålla balans under projektets gång.
2.2 Kano-modellen
Noriaki Kano, en japansk forskare och konsult publicerade en uppsättning av idéer och tekniker som används för att vägleda projektgruppen till att avgöra kundernas nöjdhet med produktionsfunktioner. Idéerna benämns som Kano-modellen och baseras på följande förutsättningar:
• Tillfredställande kunder med produktens funktioner som baseras på
funktionalitetsnivån (hur mycket eller hur väl funktionerna har implementerats). • Funktioner delas upp i fyra kategorier, performance, must-be, attractive och
indifferent.
• Att besluta hur kunderna känner för en funktion genom att ställa rätt frågor. Utifrån dessa tre förutsättningar skall konstruktörerna lyckas med ett resultat som
tillfredsställer Scanias behov till en viss nivå. Detta ger en visuell bild över vad som kommer implementeras samt investeras i under projektets gång samtidigt som intresset sätter krav på produkten. En beskrivning nedan om hur Kano-modellen fungerar kopplat med QFD kommer ge en tydlig överblick om VAD Scania behöver och HUR det skall uppnås. (MindTools, 2020.)
2.3 Tillfredställelse kontra funktionalitet:
Figur 6: Kundtillfredsställelseskala.
Källa: Folding burritos, 2019.
Målet med Kano-modellen är att få en nöjd och tillfredsställd kund, i detta fall Scania. Som tidigare nämnt är det alltid ett mål att sikta på en 100 % tillfredsställd kund även om det inte kommer att uppnås så skall Scania ändå vara nöjda med produkten. Att ett resultat presenteras kommer ge en viss tillfredställelse för Scania om det uppfyller kraven, viktigt att känna till är Scanias krav.
Funktionaliteten kan även kallas för investering, implementering eller sofistikerat och detta representerar hur mycket av en existerande funktion kunden får, hur bra har denna funktion implementerats eller hur mycket investering som har lagts på dess utveckling.
Figur 7: Funktionalitetsskala.
Källa: Ibid.
Funktionaliteten i detta fall är att fixturen
skall kunna monteras på provrigg T22, den skall kunna bära GW33CH R EK växellådan, den Figur 6 visar en gradering på olika nöjdhetsnivåer på en vertikal axel (kommer att sammanställas till ett komplett diagram, se figur 12). Från totalt missnöje till total tillfredställelse.
Det är alltid ett mål att sikta på en 100 %
tillfredsställd kund genom att hamna högst upp på nöjdhetsskalan vilket i princip är omöjligt då denna skala kommer att kompletteras med ytterligare skalor som är beroende av varandra. Kompletteringen för denna vertikala
kundtillfredställande axel är en horisontell axel och det är där funktionaliteten kommer in.
Figur 7 visar en gardering på funktionaliteten på en horisontell axel som illustrerar: ingen funktionalitet alls till bäst möjliga
implementering av funktionalitet. På detta vis blir termen investeringar väldigt bra kopplat för det här konceptet. Det är dessutom viktigt med en påminnelse om kostnaderna för att utföra aktiviteter.
Dessa två skalor är själva grunden för Kano-modellen, de är bland annat till för att kunna bestämma kundernas upplevelse för
Går man tillbaka till den grafiska modellen med tillfredställelse och funktionalitet som grund, kan man se att dynamiken i
kundernas reaktion är beroende av produktens funktion. Ju mer ökad funktionalitet desto mer ökad
tillfredställelse. En viktig påminnelse är att ju mer funktionalitet man tillsätter i
produkten, desto mer ökar investeringen för produkten. Det är viktigt att hålla en balans och det är just på grund av detta det är omöjligt att nå maximal tillfredställelse samt funktionalitet.
får inte täcka en del komponenter på växellådan (geometrin) etc. Dessa funktioner baseras på funktionalitets-axeln för att få en visuell bild om funktionerna fungerar som de ska.
2.4 De fyra funktionskategorierna:
Kano delar upp funktionerna i fyra olika funktionskategorier, detta är beroende på hur kunderna reagerar på den erbjudna funktionsnivån produkten innehar.
2.4.1 Performance
Vissa produktionsfunktioner uppför sig som vad vi instinktmässigt skulle kunna tro kopplas till att tillfredställelse uppstår: ju mer vi erbjuder till kunderna, desto mer nöjda blir de. Detta proportionella förhållande mellan funktionalitet och tillfredställelse kan benämnas som linjära, prestanda eller endimensionella utmärkelser i Kano-litteraturen om man exempelvis köper en ny bil är dess accelerationssträcka vanligtvis en
”Performance”-utmärkelse, utöver en bil kan andra exempel även vara batterilivslängd för bärbara datorer eller mobiltelefoner, lagringsutrymme i ett dropbox-konto eller extern hårddisk. Ju mer en individ innehar desto större är tillfredställelsen hos individen (se figur 8).
Figur 8: Performance linjära function i Kano-modellen.
Källa: Ibid.
2.4.2 Must-be
Utöver de produktfunktioner tillverkaren implementerar, finns det en hel del förväntningar som kunderna har. Om produkten som tillverkas inte innehåller de
funktioner kunderna förväntar sig, kommer denna produkt att anses vara ofullständig och eventuellt dålig. Denna typ av funktion benämns vanligtvis som Must-be och kan även kallas för ”basic expectations”.
Problemet med sådana funktioner är att: ”de måste finnas, men det kommer inte göra kunderna mer nöjda, men dem kommer inte vara missnöjda”.
Definierar man ovanstående, så förväntar sig kunderna att man ska kunna ringa med en mobiltelefon, det skall finnas en säng i ett hotellrum och bilen skall ha bromsar. Att dessa funktioner finns i exemplen nämnda kommer inte göra kunden lycklig, men om dem saknas så kommer kunderna definitivt bli frustrerade på produkten/tjänsten.
Figur 9: Must-be kurvan över tillfredställelse.
Källa: Ibid.
I varje projekt finns det alltid grundkrav och extra krav, det viktigaste är att grundkraven är uppfyllda, skall extra kraven uppfyllas kommer investeringen att öka. I detta fall tid som resulterar ekonomiskt. I ett sådant fall som i fixturen är en must-be funktion att det skall finnas skruvförband som sammanställer den. Det skall finnas skruvförband som fäster
fixturen på en lyftbalk och fixturen skall kunna luta sig 5°−+ . Figuren ovan visar att hur minsta
investering som utförs för dessa funktioner, kommer ha en minimal påverkan på tillfredställelse men det går även inte att bortse från dessa krav, men man begränsar investeringen. Funktioner i QFD:en går under namnet stabilitet.
Figur 9 visar hur tillfredställelsekurvan beter sig. Kurvan tyder på att även om minsta
2.4.3 Attractive
Attractive i Kano-modellen står för oväntade funktioner som presenteras för kunden och bidrar till en positiv reaktion (kan även kallas för spännande samt glädjande). Det
föredras att använda sig av termen ”attractive” då den förmedlar en uppfattning om att det handlar om en skala. Reaktioner hos kunden kan variera mellan stor attraktionskraft som även är absolut glädje till låg attraktionskraft som tyder på missnöje, och ändå ha
funktionerna som passar under namnet ”attractive”.
Exempelvis när individer för första gången använde sig av en Iphone så hade ingen förhoppningar om att pekskärmsgränssnittet var flytande, och detta orsakade en positiv reaktion, enligt Kano-modellen så är det kategorin attractive.
Figur 10: Attractive-kurvan över funktionalitet.
Källa: Ibid.
Fixturens funktionalitet vid lyckad test tillför en positiv reaktion hos Scania. En spännande och glädjande reaktion leder till att attractive-kurvan stiger. Ett grundkrav som baseras på mindre krav går i uppfyllelse och det leder till en tillfredsställd kund samtidigt som
investeringen ligger lågt då attractive-kurvan är nyckeln till att tillverkaren kontrollerar de investeringar som görs på vissa funktioner. Balansen är väldigt viktig, tillverkaren skall inte investera allt för mycket på funktionerna för att fortsätta öka attractive-kurvan, risken finns att projektet går ur styr och når en viss gräns där Scania inte längre är intresserade. Ju mindre användning av budget för projektet, desto nöjdare blir Scania.
2.4.4 Indifferent
Denna kategori tyder på att det naturligtvis finns funktioner som kunderna känner sig likgiltiga med som i sin tur betyder att funktionen, trots kundens närvaro eller frånvaro inte gör någon skillnad i reaktion på produkten.
Figur 11: Indifferent-kurvan längs mitten av tillfredställsegrunden.
Källa: Ibid.
Testerna som utförs på provriggen sker genom att en provingenjör monterar på växellådans nödvändiga komponenter, fixturen och sammanställer sedan både växellådan samt fixturen med provriggen. Testerna programmeras via datorer och sätts igång, väl igång får ingen vistas i provrummet förrän testerna är slutförda. Eftersom testerna som mäter växellådorna utförs i flera timmar samt dagar så är det obemannat, på det viset känner provingenjörerna sig likgiltiga som betyder att fixturens funktioner, trots provingenjörernas närvaro eller frånvaro inte gör någon skillnad i reaktion.
Åt vänster visas den grafiska indifferent-kurvan som ligger längs mitten av
Slutligen sammanställs alla dessa kategoriers kurvor för att illustrera vägledningen till att avgöra kundernas nöjdhet med produktionsfunktioner inom produktutveckling.
Figur 12: Sammanställning av kategoriernas kurvor i ett och samma diagram, Kano-modellen.
Källa: Ibid.
QFD och Kano-modellen kompletterar varandra från olika perspektiv. QFD radar upp ”vad” och ”hur” önskemål ska uppnås medan Kano-modellen används för att avgöra vad för funktioner som skall investeras och hur dem skall implementeras för att uppnå en
3 Konceptanalys
Figur 13: Bluefixtur L1793-3.03-100 T22. Figur 14: Bluefixtur L1793-3.03-200 T27.
Dessa fixturer används till hybridväxellådor, ett tak över sidofästen hålls samman med 8 respektive 16 skruvförband för stabilisering med stöd mellan armarna som förstärkning. Armarna sitter fast på en adapter för provrigg T22 och T27 som kommer att kompletteras med 12 stycken skruvar. Fixturen L1793-3.03-100 T22 gör det enkelt att komma åt delar av
växellådan från sidorna samt bottendelen till skillnad från fixtur L1793-3.03-200 T27 som gör det komplicerat att komma åt sidorna men enkelt för bottendelen. Båda fixturerna gör det svårt att komma åt på överdelen på grund av plattan som fäster sig över. Hålet genom den cirkulära konsolen är för axeln som kopplas från växellådans utgående axel till provriggens momentnav.
Figur 15: Arm för Bluefixtur L1793-3.03-100 T22. Figur 16: Arm för Bluefixtur L1793-3.03-200 T27.
Figur 17: Kompletterad arm för L1793-3.03-200.
3.1 Slutsats
Utifrån tabell 2 med styrkor och svagheter, går det att kombinera båda fixturernas styrkor för att skapa en sammansatt fixtur för GW33-växellådan. Armarna för Bluefixtur L1793-3.03-200 kommer att användas för att behålla hållfastheten samtidigt som vikten minskas. Armarna kommer att monteras direkt från sidan på lyftbalken (se figur 18, rödmarkering), vilket leder till att plattan på överdelen kommer att exkluderas vilket resulterar till ytterligare lägre vikt på fixturen.
Tabell 2: Styrkor och svagheter baserad på nytt koncept för GW33 växellådor utifrån befintliga koncept.
Koncept fixtur Styrkor Svagheter
Bluefixtur L1793-3.03-100
T22 •• Flexibel. Lätt att komma åt externa komponenter på sidorna. • Mindre vikt. • Robust. • Kommer inte åt komponenter på överdel.
• Inte lika hållfast som Bluefixtur L1793-3.03-200. Bluefixtur L1793-3.03-200 T27 •• Kompakt. Stabil. • Multifunktionell. • Robust. • Kommer inte åt externa komponenter från sidorna och överdel. • Stort antal skruvförband. Fixtur L1793-3.03-200 T27 har en
kompletterande arm i sin konstruktion (se figur 14 och 16). Denna arm kan agera som extra stöd eller mer av en anpassning för större växellådor. Geometrin gör armen unik genom att armen behåller hållfastheten samtidigt som mindre material används som i sin tur leder till viktminskning. Montering av endast denna arm gör det enkelt att komma åt externa
Figur 18: Lyftbalk.
Kopplingen vid sidan av lyftbalken leder till att alla externa komponenter på överdelen av växellådan kommer att vara åtkomligt och öppningarna mellan armarna gör det även enkelt att komma åt komponenterna på vardera sida av växellådan, se figur 17. Detta uppfylls samtidigt
4 Faktainsamling
4.1 Stål
Stål är en smidbar legering som huvudsakligen består av järn som basmaterial. Det viktigaste legeringsämnet i stål är kol och ingår alltid i materialet. Mängden kol i stål varierar beroende på hur stålet har härdats. Råjärn (tidigare tackjärn) är den beståndsdel och produkt som används vid gjutning till tackor. Stål har flertalet egenskaper och en viktig egenskap som är till fördel för plastisk formgivning i både kallt och varmt tillstånd. Stål består som tidigare nämnt av kol men även av andra grundämnen. Stål kan härdas på ett antal olika sätt och legeringsämnen har möjligheten att förändra stålets egenskaper. En positiv egenskap stål har är att materialet är återvinningsbart (Leijon, 2014).
En del kromlegerade stålprodukter innehåller över 2% kol, som vanligtvis är gränsen mellan stål och gjutjärn. Före formgivning är råstål ämnet som används vid gjutning och valsning. Ibland kan det vara svårt att skilja på stål och järn, det beror främst på de gemensamma egenskaperna dessa två ämnen har (ibid.).
4.1.1 Konstruktionsstål
Det är ofta man skiljer mellan konstruktionsstål och verktygsstål, det är två material som härdats och används för olika syften. Konstruktionsstål innefattar all bearbetning och användning av stål för bärande konstruktioner såsom broar, fartygsskrov, tryckkärl och maskindelar. Kolhalten i produkten befinner sig mellan 0,1–0,6%. Det finns dessutom en del stålmaterial med hög svetsbarhet, exempel på sådana är naturgasledningar och de har en kolhalt på 0,02%. Kallbearbetat, varmvalsat eller (mer sällan) värmebehandlat tillstånd brukar stålen levereras i. I den färdiga produkten ingår de för det mesta tillsammans, vid andra tillstånd kan de härdas efter bearbetning. Viktiga egenskaper för konstruktionsstål är sträckgränsen, förlängningen, brottgränsen, kontraktionen, slagsegheten och svetsbarheten. Detta är dess egenskaper man ofta intresserar sig för (ibid.).
Det finns olika användningsområden för konstruktionsstål, se tabell 3. I Tabellen framgår det att olegerade stål, mikrolegerade stål och seghärdade stål kan vara till användning för
Ståltyp Allmänna konstruktioner Maskinkonstruktioner Tryckkärl Kol- och kolmanganstål X X X Miktrolegerade stål, normaliserade X X Mikrolegerade stål, seghärdade X X X Låglegerade stål X X Rostfria stål X X X
Val av konstruktionsstål: Sträck-/brottgräns tabell
Tabell 4: Sträck-/brottgräns för olika härdat konstruktionsstål i jämförelse med tjocklek.
Källa: Metinvest, nd och Meadinfo, 2015.
Material Sträckgräns vid
𝒕𝒕 ≤ 𝟏𝟏𝟏𝟏 𝒎𝒎𝒎𝒎 Sträckgräns 𝟏𝟏𝟏𝟏 < 𝒕𝒕 ≤ 𝟒𝟒𝟒𝟒 𝒎𝒎𝒎𝒎 Brottgräns 𝒕𝒕 ≤ 𝟑𝟑 𝒎𝒎𝒎𝒎 Brottgräns 𝟑𝟑 < 𝒕𝒕 ≤ 𝟏𝟏𝟒𝟒𝟒𝟒 𝒎𝒎𝒎𝒎
S355 355 MPa 345 MPa 510–680 MPa 470–630 MPa
S420 420 MPa 400 Mpa 520–680 MPa 520–680 Mpa
S460 460 MPa 440 Mpa 540–720 Mpa 540–720 Mpa
Tabell 3: Användningsområden för konstruktionsstål.
4.2 Svetsning
Det har länge varit känt att möjligheten för sammanbindning av två metallstycken finns. Tidigt användes denna metod för att slå ihop två glödande metallstycken till ett, smeden var tidig med användningen av denna metod.
Den ryske Benardo tog patent på en liknande metod år 1881. Det han hade patenterat var hur man kunde förbinda metallstycken med hjälp av en ljusbåge som var alstrad mellan en kolektrod och det självaste arbetsstycket. Den ryske Slavianoff, tog 1892 patent på en metod där kolelektroden var ersatt med ett metalliskt material som förbrukades, och fungerade som tillsatsmaterial. Dessa två metoder står till grund för den moderna svetsteknologin. De två metoderna som patenterades har många fördelar men även en rad nackdelar, metoderna var inte felfria. En nackdel som anses vara den största är att den smälta metallen reagerade med omgivningen, detta är att undvika då de kunde bidra till försprödande oxidinneslutningar. Med andra ord innebar det att de mekaniska egenskaperna inte var optimala och för den delen inte tillfredställande heller (Carlsson m.fl. 2010).
Den svenske Oscar Kjellberg fann en lösning på den ovannämnda nackdelen. Han upptäckte att man kunde använda en elektrod med ett mineralhölje. Denna upptäckt agerade som skyddande slagg för smältan. 1906 tog han patent på denna metod. Idag över 50 år senare har svetsteknologin utvecklats i samband med utvecklingen av materialtekniken. Mikrolegerade- och finkorniga stål kan användas i svetsade konstruktioner. Idag, med all utveckling av dessa områden finns det möjlighet att det mesta kan svetsas, exempelvis kan både ubåtar, off-shoreplattformar och rymdfarkoster svetsas. Tidigare har det varit svårt att utveckla dessa konstruktioner i relation till det ekonomiska perspektivet. Utvecklingen av dessa
svetsmetoder- och tekniker har möjliggjort konstruktioner som dessa (ibid.).
4.2.1 Svetsmetoder
Svetsning är en metod och en teknik som är beroende av stora mängder värme. Detta leder till att det endast potenta värmekällor bör användas. Tidigare har gassvetsning varit en
värmekälla som används, länge var denna metod den mest använda metoden vid svetsning. Idag står den för mindre än 2% av den totala produktionen av så kallat svetsat gods. Detta är en betydlig minskning av gassvetsning. Idag används metoder där värme alstras med hjälp av elektriska källor. De elektriska metoderna inkluderar bland annat Kjellbergs elektroder. Denna metod är manuell bågsvetsning (MMA), MIG-svetsning konsumerar elektroderna till TIG-svetsning där elektroderna å andra sidan inte konsumeras. Idag är elektriska metoder de som dominerar i marknaden. De är enkla att använda och styra med hjälp av automatisering exempelvis robotsvetsning (ibid).
MMA den så kallade bågsvetsningen står för Manual Metal Arc och används i olika
i utomhusmiljöer. MIG står för Metal Inert Gas och vid denna typ av svetsning så används ett skydd som består av en inert gas, exempelvis Argon (Ar). Inertgasskyddet används och ersätter det mineralhölje som används i föregående svetsmetod. Denna modifiering har en potential att underlätta svetsning i många material. Men MIG-svetsning är inte felfri, ett problem som tillkommer vid denna typ av svetsning är att en viss avkolning kan uppstå- Därav utvecklandet av ytterligare en metod, MAG som står för Metal Active Gas. Vid denna typ av svetsning används en skyddsfas som har egenskapen att reagera med metallsmältan. Ofta består denna gas av argon, Ar och Koldioxid CO2 (ibid).
TIG-svetsning betyder (Tungsten Inert Gas). TIG-svetsning är en variant av den ryskes Benardos metod där en elektrod används men inte konsumeras. TIG-svetsning kan göras på två sätt, med eller utan tillförsel av elektrodmaterial. Dessa två sätt har olika utgående resultat, där tillsats av material kan användas som en värmekälla för att smälta tillsatsmaterialer och svetsgodset med hjälp av ljusbågen. Detta förfarande lämpar sig vid t.ex. svetsning av aluminium och aluminiumlegeringar. För att utveckla möjligheten att svetsa aluminium så används ett ström-spänningsförlopp styras och då erhålles en oxidbrytande verkan (ibid.).
Figur 19: Utrustning för MIG/MAG-svetsning.
Under detta projekt kommer metoden bågsvetsning MMA att användas för fixturen. Detta på grund av att ha kontaktat erfarna svetsare från Scania och blivit informerade om att denna metod är mest lämplig för fixturen som skall konstrueras. Den typ av elektrod som skall användas under svetsningen med vår fixtur är E50, då materialet kommer att vara av stål och behöver sitta väldigt bra rekommenderas denna elektrod (ibid.).
4.2.2 Metallbågsvetsning med belagda elektroder (MMA)
Bågsvetsning, metallbågsvetsning, MMA och handsvetsning är olika ord för samma metod. Bland alla smältsvetsmetoder var denna specifika metod mest dominerande, och den fortsatte vara dominerande fram till 1980-talet. Elektroden som används består av en kärntråd med en speciell sammansättning som lämpar sig för metoden och ett hölje som är utvändigt. En ljusbåge tänds mellan elektroden och svetsfogen vid svetsning som utförs (ibid.). Ljusbågen är den del i processen som smälter elektroden vilket i sin tur leder till att höljet bildar den skyddande slaggen som nämnts tidigare, se figur 21.
Figur 20: Utrustning för TIG-svetsning.
Att få samma kemiska sammansättning i svetsförbandet är det man strävar efter vid svetsning. Detta betyder i praktiken att elektroderna bör ha nästintill samma sammansättning som
grundmaterialet. Anledningen till varför elektroderna bör ha nästintill samma sammansättning som grundämnet är för att den lilla skillnaden kompenserar oundvikliga förluster som
uppkommer genom oxidation vid svetsning.
Normalt innehåller elektroderna förhöjda halter av affinitet till syre, exempel på sådana salter är Cr, Ti, Mo, Mn, Nb och Ni. Anledningen till att Mn och Ni tillsätts är för att ge
svetsmaterialet en önskad hållfasthet. Ti och Nb är andra legeringstillsatser som ofta bildar karbider och verkar kornförfinande. Ett sätt detta kan ske på är kärnbildning av nya korn, men oftast används dessa ämnen för att de ska lägga sig i korngränserna som leder till minskad rörlighet och det bidrar till bromsad korntillväxt. Cr och Ti har även som uppgift att påverka korrosionsbeständigheten som är betydligt viktiga för svetsade konstruktioner inom bland annat off-shore industrin och den kemiska industrin.
Vidare kommer vissa skillnader i sammansättning även att uppkomma då elektroderna standardiserats för att användas till olika klasser av material som skall svetsas. Situationen skulle bli ohanterlig om varje stålsort hade tilldelats en egen elektrodtyp, varför
standardiserade elektroder med ”nästan” rätt sammansättning oftast används (ibid.).
Figur 21: Belagd elektrod
Fördelar med bågsvetsning
- Behöver enkel utrustning med få ingående delar. - Klarar högt ställda kvalitetskrav.
- Låg anskaffningskostnad samt ett mycket stort utbud av tillsatsmaterial. - Metoden lämpar sig väl för utomhusbruk (mindre väderkänslig)
Nackdelar med bågsvetsning
- Är jämfört med MAG-svetsning långsam och har regelbundna avbrott för elektrodbyte - Kräver ett gott handtag, alltså erfarna operatörer.
- Ger relativt stor rökutveckling vilket ställer större krav på ventilation än andra – svetsmetoder
4.2.3 Svetsning av konstruktionsstål
I en svets i ett konstruktionsstål kan ett flertal skillnader ske i de olika zonerna på materialet, se figur 22. De olika zonerna uppnår topptemperaturer som är olika och beroende på tillförd sträckenergi som sker under svetsning. Den zonen som blir värmepåverkad kallas för HAZ (heat affected zone) och den visas schematiskt i figur 23. Längst bort från smältgränsen finns det av svetsen opåverkade grundmaterialet. Invid smältgränsen ligger den del av HAZ som oftast är kritisk och som vanligen kallas för den överhettade zonen. (Leijon, 2014).
Figur 22: Svetsvärmepåverkade zonen (HAZ).
Källa: Leijon, 2014.
Figur 23: Mikrostrukturen i HAZ.
4.3 Skruvförband
Element som används för att förbinda maskinelement kallas för skruvförband. Förband kan delas in i två olika kategorier:
• Lösbara förband (kan plockas isär). - Skruvförband
- Snäppförband
• Permanenta förband (går inte att plocka isär utan att skada materialet). - Nitförband
- Materiell förband (lim-, löd- och svetsförband)
I dagsläget finns det väldigt många varianter av skruvar med olika funktioner så som fästen och gängning samt olika klasser. Då skruvar är en av de mest standardiserade maskindelar som finns är de ofta vitala eller kritiska för en maskin/konstruktionsfunktion. Olika skruvar har olika gänggeometri som: fin-, grov- och delgängad, beroende på konstruktionens funktion passar vissa skruvar bättre än andra.
I detta fall kommer helgängad (ISO 4017-M18x65, klass 8.8) och delgängad sexkantskruv (ISO 4014-M18x30, klass 8.8) att användas, se figur 24. Denna skruv valdes för dess starka egenskaper som bärförmåga och hållfasthet (se tabell 5, gulmarkering).
Figur 24: Förenklad ritning på sexkantskruven.
Tabell 5: Nominell sträckgräns, KN, metrisk ISO grovgänga.
Källa: Hobson technical, 2007 och Nordic fastening Group AB, 2020.
Thread Pitch
mm Nominal stress area mm²
Proof stress ReL N/mm² Proof stress Rp0.2 N/mm²
180 240 320 300 400 480 640 900 1080 Property class 3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 10.9 12.9 M3 M3.5 M4 0.5 0.6 0.7 5.03 6.78 8.78 0.905 1.22 1.58 1.21 1.63 2.11 1.61 2.17 2.81 1.51 2.03 2.63 2.01 2.71 3.51 2.41 3.25 4.21 3.22 4.34 5.62 4.53 6.10 7.90 5.43 7.32 9.48 M5 M6 M7 0.8 1 1 14.2 20.1 28.9 2.56 3.62 5.20 3.41 4.82 6.94 4.54 6.43 9.25 4.26 6.03 8.67 5.68 8.04 11.6 6.82 9.65 13.9 9.09 12.9 18.5 12.8 18.1 26.0 15.3 21.7 31.2 M8 M10 M12 1.25 1.5 1.75 36.6 58.0 84.3 6.59 10.4 15.2 8.78 13.9 20.2 11.7 18.6 27.0 11.0 17.4 25.3 14.6 23.2 33.7 17.6 27.8 40.5 23.4 37.1 54.0 32.9 52.2 75.9 39.5 62.6 91.0 M14 M16 M18 2 2 2.5 115 157 192 20.7 28.3 34.6 27.6 37.7 46.1 36.8 50.2 61.4 34.5 47.1 57.6 46.0 62.8 76.8 55.2 75.4 92.2 73.6 100 123 104 141 173 124 170 207 M20 M22 M24 2.5 2.5 3 245 303 353 44.1 54.5 63.5 58.8 72.7 84.7 78.4 97.0 113 73.5 90.9 106 98.0 121 141 118 145 169 157 194 226 220 273 318 265 327 381 M27 M30 M33 3 3.5 3.5 459 561 694 82.6 101 125 110 135 167 147 180 222 138 168 208 184 224 278 220 269 333 294 359 444 413 505 625 496 606 750 M36 M39 4 4 817 976 147 176 196 234 261 312 245 293 327 390 392 468 523 625 735 878 1050 882
Det finns olika hållfasthetsklasser på skruvar som identifierar kvalitetsklassen och är
standardiserade av bland annat ISO, DIN och svensk standard. Om en skruv exempelvis har märkningen 6.8 så betyder detta att brottgränsen för skruven är 600 MPa och flytgränsen 80 % därav 480 MPa (𝑅𝑅𝑝𝑝0.2). Noggrann övervakning av åtdragningsmoment (𝑀𝑀𝑣𝑣) är viktigt för
att flytning inte skall ske, om flytning sker krävs det att skruven byts ut. Detta är anledning till att man drar ca. 70 % av sträckgränsen för att få ett hållfasthetsoptimerad förband. I detta fall med en M18 sexkantskruv klass 8.8 kommer åtdragningsmomentet (𝑀𝑀𝑣𝑣) dras åt enligt Scanias
standard STD 4515 (Elastic tightening of fasteners by means of torque control) som tillför specifika egenskaper som preload, assembly torque & max surface pressure.
Figur 251: Idégenerering i form av skisser. Figur 262: Idégenerering i form av skisser.
5 Genomförande
5.1 Idégenerering
I ett tidigt skede påbörjades ett skissarbete där alla tankar och idéer skissades på papper. Anledningen till att skissarbetet skedde tidigt var att kunna visualisera en första design på fixturen. Innovationen har för det mesta kretsat kring armarna som fixturen skall ha för att klara av att bära växellådan samt att den sitter i rätt position i samband med provriggen. Fokus har legat på att tänka ut någonting som kan montera fixturens armar med någon del på
växellådan. En idé var att montera fixturen med en lyftbalk som sätts på växellådan när den skall lyftas och monteras ihop med provriggen. Provingenjörerna tyckte denna idé var mer effektiv då de kan montera fixturen direkt med lyftbalken. Tre olika potentiella lösningar skissades fram där den ena har två raka armar som sträcker sig ut till lyftbalkens två hål, den andra hade samma princip med skillnaden att det endast var en förstärkare som tillägg. Den tredje var mer formad för att klara av de flesta växellådorna där vinklar på armarna finns med för att kunna monteras ihop med växellådan även när växellådan har sina externa
Figur 273: Koncept 1 på armen.
4Tabell 6: Fördelar och nackdelar för koncept
1
5.2 Koncept för fixtur
Från idégenereringen valdes två koncept att studera vidare och utveckla.
Utvecklingsprocessen för de två koncepten skedde från skisser till CAD som vidare simulerades för att bevisa att fixturen klarar av att bära växellådan. Under dem tre
aktiviteterna utvecklades och modifierades koncepten flertalet gånger. Målet var att optimera konceptens funktionalitet för att sedan kunna genomföra ett korrekt konceptval med hjälp av en konceptpresentation där provingenjörerna som kommer att arbeta med denna fixtur får välja ut ett koncept. Figur 27 visar koncept 1 på armen som framtagits och undersökts medan figur 28 visar koncept 2 som framtagits och undersökts.
Koncept 1 konstruerades enligt de dimensioner som växellådan har och anpassades form vis efter de externa komponenterna som är monterade på växellådan under test. Det finns en del fördelar och nackdelar med koncept 1. Fördelen är att den är robust och bidrar med mindre vibrationer samt spänningar, men nackdelarna blir då att den väger mer på grund av att den har mer material, se tabell 7.
Pros
Cons
Robust Mer vikt
Mindre vibrationer Mer material Mindre spänningar Begränsad åtkomlighet
Tabell 7: Fördelar och nackdelar för koncept 2. Figur 285: Koncept 2 på armen.
Koncept 2 utvecklades mer men har sitt ursprung i koncept 1. Dimensionerna på längden av armen korrigerades efter att ha fått önskemål från provingenjörerna att de ville ha med
ytterligare externa komponenter när växellådan testas. Ytterligare korrigeringar var att minska på vikten vilket gjordes med hjälp av att minimera material. Dessa fördelar bidrog till att ge fixturen flexiblare åtkomlighet om provingenjörerna vill spänna/lossa på komponenter när fixturen är monterad med växellådan. Nackdelarna blir istället mer vibrationer och spänningar då den inte består av lika mycket material som i koncept 1. Simuleringar utförs sedan på koncept 2 för en kontroll.
Pros
Cons
Mindre vikt Mer vibrationer Mindre material Mer spänningar Flexiblare åtkomlighet
(komponenter på växellåda)
Figur 29:6 Sammanställning för fixturen.
Efter att ha presenterat de två koncepten för provingenjörerna på Scania gav vi dem beslutet att välja det koncept de önskar. Provingenjörerna var enade om att de ville ha koncept 2 eftersom den är mer flexibel än vad koncept 1 var. De kunde komma åt mer externa komponenter på växellådan än vad de kunde göra med koncept 1. En sammanställning
5.3 FEM & FEA
Finite element method (FEM) är en numerisk teknik som används för att lösa partiella
differentialekvationer via datorer för att sedan utföra finite element analysis (FEA). FEM och FEA har utförts på fixturen för att studera hur materialet beter sig under belastning av
GW33CHR EK växellådan och hur höga nivåer på spänningar och förflyttningar som uppstår samt var dessa uppstår. Motivet till att FEM analyser utförs är för att försäkra kunden att materialets hållfasthet uppfyller kriterierna utan att ett brott uppstår. Scenarierna har valts efter Scanias standarder som är möjligt vid användandet av upphängningsanordningen.
5.3.1 Simulerings definitioner
Fixturens armar som är fastmonterade med skruvförband i lyftbalken som i sin tur är
monterad på växellådans bakre hölje kommer att ta emot spänningarna från växellådans vikt. Eftersom armarna är monterade på lyftbalken så kommer lyftbalken inte tillåta att
fixturarmarna böjer sig inåt. Däremot kommer växellådan vrida sig framåt vilket leder till att den belastar lyftbalken. Utifrån detta krävs en noggrann definiering av funktioner på CATIA för att få en så verklighetsbaserad simulering som möjligt. Fixturen är förenklad genom borttagna komponenter för att underlätta simuleringen samt undvika missvisande resultat. Figur 30 visar vilka funktioner som definierats, tabell 8 beskriver dessa funktioner i ord.
Tabell 8: Definierade funktioner från figur 30.
Nr. Funktion
1 Ytan där skruvförbanden fäster sig på borttagen komponent. Då 5 st skruvförband monteras kommer en klämkraft ske tillsammans med en friktionskraft. För ett mer logiskt resultat är fästningen på ytan och inte i skruvhålen.
2 Definition av växellådans vikt med olja (totalt 549,5 Kg) samt påslag med extra vikt har värdet avrundats uppåt till 600 Kg i växellådans tyngdpunkt. Tillsammans med växellådans definierade vikt har en gravitationskraft applicerats. De streckade linjerna är definierade på undersidan av balken som sitter mot växellådan för att kunna
illustrera en vridning.
3 Den heldragna linjen på båda sidorna definierar att armarnas yta sitter ihop med lyftbalkens yta utan glapp med en friktion på 0,15 (Scania standard).
4 Skruvförband vid hålen för att definiera för programmet att det vid dessa hål kommer sexkantbultar att vara monterade med en kraft på 500N.
5.3.2 FEM – Finite Element Method
En mesh består av toppar, kanter och ytor som använder polygonal representation, inklusive trianglar och fyrkantiga sidor, för att definiera en 3D-form. En mesh är en diskretisering (avser processen att överföra kontinuerliga modeller och ekvationer till diskreta
motsvarigheter) av en modell till element som är lämpliga för en FEM-analys.
Figur ovan visualiserar var på fixturen spänningarna kommer vara som högst. Där mindre trianglar har applicerats tyder på att högre spänningar kommer att uppstå, en tydligare mesh ger ett noggrannare resultat.
Figur 32: Mesh:ens noggrannhet på fixturarmen (Point of interest).
5.3.3 FEA resultat av slutgiltiga beräkningar
Finite Element Analysis (FEA) är simuleringen av varje givet fysiskt fenomen med den numeriska tekniken FEM. Detta används för att minska antalet fysiska prototyper och experiment samtidigt som man optimerar komponenter redan vid designfasen. Detta för att utöka möjligheten att bättre och snabbare kunna utveckla produkter samtidigt som man sparar på ekonomiska utgifter.
Vid beräkningen av den slutgiltiga modellen kunde man konstatera att fixturen kommer att klara av de laster som belastas då analysen är definierad med ca. 50 kg mer massa än vad växellådan väger som tidigare nämnts i tabell 9 simuleringsdefinitioner. Högst blev spänningarna vid det bottenvinklade området på armarna där växellådans massa tvingar armarna att vinkla inåt medan lyftbalken förhindrar detta. Höga spänningar observerades också på toppen av det vinklade området men mer på utsidan jämfört med insidan (se figur
34). Med en maximal spänning på 79,5 MPa uppfyller detta Scanias standard på säkerhetsmarginal på faktor 4 mot materialets sträckgräns.
Anledningen till att spänningar sträcker ut sig över lyftbalken är för att växellådan kommer vilja vinkla sig framåt. Då detta är en förenkling blir det högre utslag och lyftbalken blir styvare vid montering av växellådan.
Figur 34: Spänningar på insida arm jämfört med utsida arm.
Spänningsområdena skiljer sig från insidan respektive utsidan. På
insida arm är det mer av ett kompakt spänningsområde där spänningarna skiljer sig mellan 55–79,5 MPa, medan utsidaspänningar fördelas ut på större område och har ett spänningsintervall mellan 55–65 MPa. Skillnaden mellan
5.4 Förflyttning
I geometri är förskjutning en vektor vars längd är det kortaste avståndet från start till slutposition för en punkt X som genomgår en rörelse. Den fastställer kvantiteten av både avståndet och riktningen för den totala rörelsen längs med en rak linje från ursprung/start position till slut position för punktens bana.
Figur 35: Överblick av förflyttnings resultat.
En kardanaxel kommer att monteras på utgående axel där sprintarna kan justeras för att anpassa förflyttningen på lyftbalken till provriggen, justering kan även ske via
bågtandskopplingen som är monterad på provrigg T22 för vinkeljustering. Figur 35 visar förflyttningsresultatet som uppstår av
6 Lyft av fixtur
Kunden har valt att lyfta fixturen utan befintlig lyftbalk, vilket medför att fixturen bör kompletteras med externa komponenter. I detta fall har CE-märkta lyftögleskruvar valts att appliceras på fixturens armar samt på cirkulära konsolen (se figur 36). I cirkulära konsolen finns ett befintligt M12 hål på toppen med ett djup på 17 mm vilket tyder på att en
lyftögleskruv (DIN 580-M12-ST) går att montera. Fixturens armar har en tjocklek på 20 mm, för att inte minska på hållfastheten har M8 lyftögleskruvar (DIN 580-M8-ST) valts att
monteras. Ur figur 36 och tabell 9 finns följande data för storleksskillnader i kraft och dimensioner.
Figur 36: Ritning över lyftögleskruv med kraftvillkor.
Källa: Traceparts, 2020.
Tabell 9: Angivna mått och krafter för respektive lyftögleskruv.
Källa: Traceparts, 2020. Part number d1 (mm) d2 (mm) d3 (mm) d4 (mm) e (mm) h (mm) k (mm) l (mm) m (N) F1 (N) F2 (N) F3 DIN 580-M8-ST M8 20 36 20 6 36 8 13 10 1400 1000 700 DIN 580- M12-ST M12 30 54 30 10 53 12 20,5 14 3400 2400 1700
Lyftögleskruv från Tracepart är grovgängad och gängtoleranserna från Mattssons för invändiga gängor (– grovgängor) (ISO 965–2) så kommer fixturens hål på armar få en medeldiameter på 7,3 mm och ett djup på 15 mm.
Fixturens armar har en tjocklek på 20 mm, för att inte minska på hållfastheten har M8
lyftögleskruvar (DIN 580-M8-ST) valts att montera. Ur figur 36 och tabell 9 finns följande data för lyftögleskruvarna. På
Tabell 10: invändiga gängor – grovgängor (ISO 965–2).
Källa: Mattssons, 2020.
För att kunna uppfylla Scanias standarder inom säkerhet så har montering av
lyftögleskruvarnas placering valts för att kunna lyfta fixturen säkert från tyngdpunkten via tre punkter. Fixturens massa är 81,5 Kg, en DIN 580-M8-ST klarar av att lyfta en kraft vertikalt uppåt på 1400 𝑁𝑁 ≈ 142 𝐾𝐾𝐾𝐾 och vid 45° ≈ 102 𝑘𝑘𝐾𝐾. Lyftögleskruvarna får inte lyftas så att en
skjuvspänning sker (se figur 36), detta innebär att vid montering krävs en vinkel från
horisontella linjen till tyngdpunktens riktning (se figur 33). Vinkeln för DIN 580-M8-ST mot tyngdpunkten kommer att vara 51,5° från den horisontella linjen. Detta för att undvika
skjuvspänning då en travers med tre stycken CE-märkta lyftkättingar kommer att appliceras på lyftögleskruvarna. Det finns möjlighet att lyfta fixturen med hjälp av lyftbalken om man kopplar ett lyftverktyg som sedan kompletteras med en lyftkätting till lyftöglan på den cirkulära konsol adaptern. Dock rekommenderas det att lyfta fixturen endast från lyftögleskruvarna (3 punkts lyft) då lyftbalken oftast redan sitter färdigmonterad på växellådan. Växellådan lyfts endast via lyftbalken och inte med lyftöglorna.
7 Resultat
Resultatet av projektet blev en upphängningsanordning som monteras på Scanias växellådor som i sin tur kopplas ihop med provrigg T22. Scanias befintliga komponenter som lyftbalk och cirkulär konsolen användes och kompletterades med armar som möjliggjorde montering av växellådan bakifrån i provrigg T22. Fixturen är tillverkad av material S355MC, M18 skruvförband med klass 8.8 som kompletteras med M18 låsmuttrar och M18 rundbrickor kommer att dras åt enligt Scanias standard STD 4515 (elastisk åtdragning av fästelement med hjälp av vridmomentreglering). CE-märkta lyftögleskruvar M8 monteras på vardera arm och en M12 på cirkulära konsolen där ett befintligt gängat hål finns (se figur 37). En
monteringsanvisning har framställts som illustrerar den lämpligaste och enklaste metoden för att montera ihop fixturen med en växellåda.
Figur 38: Konstruktionsresultat.
Visualisering på en sammanställd fixtur med monterad växellåda innan montering på provrigg T22, se figur 39.
Figur 40: Monterad fixtur på växellåda GW33 CH R EK (Sido-vy).
7.1 Lyft av fixtur
Kunden har valt att lyfta fixturen utan befintlig lyftbalk, vilket medför att fixturen bör kompletteras med externa komponenter. I detta fall har CE-märkta lyftögleskruvar valts att appliceras på fixturens armar samt på cirkulära konsolen (se figur 36). I cirkulära konsolen finns ett befintligt M12 hål på toppen med ett djup på 17 mm vilket tyder på att en
lyftögleskruv (DIN 580-M12-ST) går att montera. Fixturens armar har en tjocklek på 20 mm, för att inte minska på hållfastheten har M8 lyftögleskruvar (DIN 580-M8-ST) valts att
monteras. Ur figur 36 och tabell 9 finns följande data för storleksskillnader i kraft och dimensioner.
Figur 36: Ritning över lyftögleskruv med kraftvillkor.
Källa: Traceparts, 2020.
Tabell 9: Angivna mått och krafter för respektive lyftögleskruv.
Källa: Traceparts, 2020. Part number d1 (mm) d2 (mm) d3 (mm) d4 (mm) e (mm) h (mm) k (mm) l (mm) m (N) F1 (N) F2 (N) F3 DIN 580-M8-ST M8 20 36 20 6 36 8 13 10 1400 1000 700 DIN 580- M12-ST M12 30 54 30 10 53 12 20,5 14 3400 2400 1700
Lyftögleskruv från Tracepart är grovgängad och gängtoleranserna från Mattssons för invändiga gängor (– grovgängor) (ISO 965–2) så kommer fixturens hål på armar få en medeldiameter på 7,3 mm och ett djup på 15 mm.
Fixturens armar har en tjocklek på 20 mm, för att inte minska på hållfastheten har M8
lyftögleskruvar (DIN 580-M8-ST) valts att montera. Ur figur 36 och tabell 9 finns följande data för lyftögleskruvarna. På
Tabell 10: invändiga gängor – grovgängor (ISO 965–2).
Källa: Mattssons, 2020.
För att kunna uppfylla Scanias standarder inom säkerhet så har montering av
lyftögleskruvarnas placering valts för att kunna lyfta fixturen säkert från tyngdpunkten via tre punkter. Fixturens massa är 81,5 Kg, en DIN 580-M8-ST klarar av att lyfta en kraft vertikalt uppåt på 1400 𝑁𝑁 ≈ 142 𝐾𝐾𝐾𝐾 och vid 45° ≈ 102 𝑘𝑘𝐾𝐾. Lyftögleskruvarna får inte lyftas så att en
skjuvspänning sker (se figur 36), detta innebär att vid montering krävs en vinkel från
horisontella linjen till tyngdpunktens riktning (se figur 33). Vinkeln för DIN 580-M8-ST mot tyngdpunkten kommer att vara 51,5° från den horisontella linjen. Detta för att undvika
skjuvspänning då en travers med tre stycken CE-märkta lyftkättingar kommer att appliceras på lyftögleskruvarna. Det finns möjlighet att lyfta fixturen med hjälp av lyftbalken om man kopplar ett lyftverktyg som sedan kompletteras med en lyftkätting till lyftöglan på den cirkulära konsol adaptern. Dock rekommenderas det att lyfta fixturen endast från lyftögleskruvarna (3 punkts lyft) då lyftbalken oftast redan sitter färdigmonterad på växellådan. Växellådan lyfts endast via lyftbalken och inte med lyftöglorna.
7.2 Monteringsanvisning
Figur 42: Monteringsanvisning av fixtur med balk.
Monteringsmetoden börjar med dem rektangulära konsolerna (1) svetsas ihop med cirkulära konsolen. Därefter kommer fixturens armar (2) att fästas ihop med rektangulära konsolen med 5 st M18 sexkantskruvar som i sin tur kompletteras med 5 st M18 låsmuttrar på andra sidan. Vid nästa steg när fixturens armar, rektangulära konsolerna och cirkulära konsolen är
fastmonterade, skall CE-märkta lyftögleskruvar skruvas in i (3.1, 3.2 och 3.3). I (3.1) skall en M12 lyftögleskruv skruvas in med en placering parallellt med rektangulära konsolerna (1). I (3.1) och (3.2) skall M8 lyftögleskruvar skruvas in med en placeringsvinkel på 51,5° inåt mot
tyngdpunkten, se figur 37. Slutligen ska fixturen sammanställas med lyftbalken med 2 st M18 sexkantskruvar och M18 rundbrickor på vardera sida av lyftbalken, se figur 38 för en enhetlig fixtur.
A – Cirkulär konsol B – Rektangulär konsol C – Fixturarm
8 Diskussion & slutsats
Vid utförande av ett konstruktionsprojekt är det grundläggande att ha förståelse för bakomliggande problem. Detta görs genom att skapa en stabil grund i from av ett tydligt inledningskapitel för att enligt en planerad process kunna arbeta mot de uppsatta målen. I detta projekt var utmaningen att kunna skapa en konstruktion som klarar av kraven (se tabell 1) för den tyngsta växellåda GW33CH R EK. Att en konstruktion skall klara av massan av växellådan samtidigt som konstruktionen inte får väga allt för mycket för att inte överstiga lyftbalkens maximala kapacitet vid lyft var en utmaning. Anledningen är att projektgruppen inte har arbetat med verkliga konstruktionsproblem innan. Tidigare projekt har gått ut på att utveckla och skapa enklare produkter med avgränsningar för verklig tillverkning och ingen hänsyn till att använda produkten under längre period har tagits hänsyn till. Scanias avdelning NTBM var tydliga med vad dem vill åstadkomma med projektet vilket underlättade för projektmedlemmarna att komma igång med ett tydligt och strukturerat inledningskapitel med väldefinierade krav. På detta vis kunde en projektprocess planeras i form av flödesschema (se lösningsmetod 1.5) som strävar mot projektets mål.
Kortfattat från resultaten går det att konstatera att hela lösningen är tillverkad av material S355MC, skruvförband med klass 8.8 som kompletteras med låsmuttrar och rundbrickor som kommer att dras åt enligt Scanias standard STD 4515 (elastisk åtdragning av fästelement med hjälp av vridmomentreglering). De digitala beräkningarna visar att fixturen klarar av att bära en växellåda på 600 Kg och ger utslag på en lämplig spänning (se figur 33) med en
säkerhetsfaktor 4 enligt Scanias standard. Fixturen har inga avancerade monteringsmoment och kommer endast att monteras en gång med rätt verktyg. Fixturen kommer att förbli
enhetlig utan lyftbalk och har kompletterats med CE-märkta lyftögleskruvar (se figur 38) som
lyfts med hjälp av CE-märkta lyftkättingar som är monterade på en travers. Designen är en personlig åsiktsfråga men anses ha uppfyllt kraven (se tabell 1) av Scanias personal som kommer att bruka fixturen. Konkreta gränser på pris för tillverkning var inget krav då ingen massproduktion kommer att ske, endast en fixtur kommer att tillverkas.
Växellådan GW33CH R EK var projektets utgångspunkt då växellådan har stört massa (533 Kg), dimensionerna jämfört med majoriteten av övriga GW-modeller skiljer sig minimalt vilket tyder på att en fixtur för GW33CH R EK kommer att passa majoriteten av GW
Det uppnådda resultatet har uppfyllt huvudmålet med examensarbetet, vilket är att konstruera en upphängningsanordning för växellådor som möjliggör drivning bakifrån för GW33
växellådor i provrigg T22. Kravlistan (se tabell 1) har en avgörande roll i resultatet då arbetsmetodiken som användes under projektets gång var att arbeta utifrån kraven. QFD:en (figur 5) tillsammans med Kano-modellen (figur 12) gav en tydlig överblick av vad Scania
behöver för funktionaliteter som skall implementeras på fixturen för ett tillfredställande resultat. Då resultatet har uppfyllt målet innebär det att Scania kommer kunna skicka ritningar till en extern tillverkare för konstruktion som har förmågan att bocka samt vatten/laserskära fixturens armar på 20 mm. Kompletterande komponenter som sexkantskruvar, låsmuttrar, brickor och lyftögleskruvar konsumeras in och monteras enligt Scanias standard för en enhetlig fixtur som är redo för användning.
9 Framtida rekommendationer
En framtidrekommendation är att kunna anpassa fixturen för de övriga provriggarna som även kör liknande tester och mätningar. Eftersom fixturen är endast anpassad för provrigg T22 är fixturen väldigt begränsad, om behovet dyker upp för att använda fixturen till övriga
10 Källor
Carlsson, T. m.fl. 2010. Tillverkningsteknologi. 4:1th edition, Studentlitteratur AB: Lund Eurocode Applied, 2017. Table of design material properties for structural steel.
https://eurocodeapplied.com/design/en1993/steel-design-properties Hämtad [24/3–20] Folding burritos, 2019. Prioritizing Customer Satisfaction and Delight.
https://foldingburritos.com/kano-model/ Hämtad [31/3-20] Hobson technical, 2007. Hex bolts – Minimum tensile stress
https://www.hobson.com.au/files/technical/htd-hxb-met-properties.pdf Hämtad [27/3–20] Leijon, W. 2014. Materiallära. 15th edition, Liber AB.
Mattssons, 2020. Gängor/Hål- och borrdiametrar m.m. (Gängtoleranser – första tabellen
117)
http://www.mattssons.com/doc.asp?M=100000141&D=600001321&L=SE# Hämtad [13/5–
20]
Meadinfo, 2015. Material Properties of S355 Steel - An Overview.
https://www.meadinfo.org/2015/08/s355-steel-properties.html Hämtad [24/3–20] Metinvest, nd. S420M steel plates.
https://metinvestholding.com/Content/CmsFile/en/brochures__S420M_2.pdf Hämtad [24/3– 20]
MindTools, 2020. Kano Model Analysis.
https://www.mindtools.com/pages/article/newCT_97.htm Hämtad [31/3–20] Nordic fastening Group AB, 2020. Metric coarse threads.
http://nfgab.se/en/technology-quality/technical-pages/tensile-strength/metric-coarse-threads/ Hämtad [27/3-20]
Quality-One International Discover the value, 2020. Quality Function Deployment. https://quality-one.com/qfd/ Hämtad [31/3-20]
Traceparts. 2020. DIN 580 Lifting eye bolt.
https://www.traceparts.com/en/product/ganter-din-580-lifting-eye-bolts?Product=34-16042012-091607&PartNumber=DIN%20580-M30-ST Hämtad [13/5–20]
