Transcript Midjeled till vält

16 maj
Midjeled
till vält
2011
I följande rapport redogörs och diskuteras produktutvecklingen av en
midjeled för vältar. På uppdrag av företaget Dynapac tilldelades
uppgiften att ta fram ett helt nytt koncept till en midjeled. Det nya
konceptet ska tillgodose intressenternas krav på produkten. Processen,
som rapporten beskriver, baseras på det ingenjörsmässiga
tillvägagångssätt som presenteras i The Value Model (Lindstedt &
Burenius, 2006).
Ur teknisk synpunkt har stort fokus lagts på materialteknik och
hållfasthetsberäkningar för det valda konceptet. Den framtagna
midjeleden har inspirerats av både konkurrerande lösningar och idéer
från andra marknadssegment. Ett exempel är den centrala flexbalken
som inspirerats av kompositfjädrarna på Chevrolet Corvette. Resultatet
är nyskapande och innovativt men anses även ha vissa så kallade
barnsjukdomar. Konceptet anses inte vara moget för kommersiell
produktion utan bör istället vidareutvecklas då vissa ingående
komponenter behöver förfinas.
Grupp D1: Svante Håkansson, Mattias Djerv, Patrik Viippola Fredrik Olsson, Walid Feghali
Handledare: Erik Åberg
Grupp D1 2
Midjeled till vält
Innehållsförteckning
1 Inledning ............................................................................................................................................... 3
1.1 Bakgrund ....................................................................................................................................... 3
1.2 Syfte ............................................................................................................................................... 3
1.3 Avgränsningar ................................................................................................................................ 3
2 Metod ................................................................................................................................................... 4
2.1 Kravsammanställning .................................................................................................................... 4
2.2 Detaljkonstruktion ......................................................................................................................... 5
2.3 Kostnad och tillverkning ................................................................................................................ 5
3 Resultat och Diskussion ........................................................................................................................ 6
3.1 Valt koncept .................................................................................................................................. 6
3.1.1 Dimensionering och materialval............................................................................................. 6
3.1.1.5 Inneraxel och lager .............................................................................................................. 8
3.1.2 Tillverkningsprocesser och kostnadsuppskattning ................................................................. 8
3.1.3 Prototyp .................................................................................................................................. 9
3.2 Krav och måluppfyllnad ............................................................................................................... 10
3.2.1 Kravuppfyllnad...................................................................................................................... 10
3.2.2 Utvärdering gentemot Dynapacs nuvarande lösning ........................................................... 11
3.2.3 Marknadsmässig konkurrenskraft ........................................................................................ 11
4 Slutsats och rekommendationer ........................................................................................................ 12
5. Källförteckning................................................................................................................................... 13
Bilaga A Ritningar .............................................................................................................................. 14
Bilaga B Beräkningar .......................................................................................................................... 16
Bilaga C Kostnadsberäkningar ........................................................................................................... 20
Bilaga D Kravspecifikation ................................................................................................................. 23
Grupp D1 3
Midjeled till vält
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Midjeleder används i dagsläget i ett flertal av Dynapacs anläggningsfordon. Midjeleden är den del
som håller ihop bakre och främre makindelarna, tillåter maskinen att svänga i horisontalled samt
tillåter maskinens arbetsredskap att tilta åt respektive håll.
Dynapacs midjeled till vältar och liknande anläggningsmaskiner har under en längre tid grundats på
ett och samma koncept som uppfyller deras krav men saknar utvecklingspotential. Den nuvarande
lösningen har brister och svagheter som Dynapac inte tror sig kunna komma tillrätta med genom
vidareutveckling. Dynapac vill nu med hjälp av ett nytt koncept komma till rätta med de
tillkortakommanden som finns och öppna upp nya möjligheter för innovativt tänkande.
Projektet sträcker sig över våren 2011 och omfattar 7,5 högskolepoäng. I och med att kursen är av
begränsad storlek så har möjligheterna att gå in på djupet i vissa delar av projetet begränsats som
annars skulle vara av intresse för resultatet. Projektet har formats av arbetsgången i The Value Model
(Lindstedt & Burenius, 2006).
1.2 Syfte
Syftet med projektet är att ta fram ett nytt koncept som uppfyller de krav som Dynapac ställer på
leden samt att det nya konceptet ska lösa de tillkortakommanden som finns på dagens lösning. Den
nya lösningen ska bidraga till att slutproduktens kundvärde ökar och därmed medföra ökad
konkurrenskraft på marknaden.
Projektets mål är att ta fram ett helt nytt koncept åt Dynapac för midjeleder till vältar. Den nya
midjeleden ska tillgodose alla eller delar av de tillkortakommanden som existerar på dagens lösning.
Den målformulering som användes under projektet lyder enligt följande.
” Genom ingenjörsmässiga metoder ska ett nytt och bättre koncept för en midjeled presenteras
senast maj 2011 för att öka produktens kundvärde.”
1.3 Avgränsningar
Projektet har följande avgränsningar uppsatta.




Det nya konceptet får endast leda till minimala(helst inga) ändringar på den övriga
konstruktionen.
Konceptet får inte överstiga den från Dynapac utsatta budgeten.
Konceptet skall tas fram under den givna tidsramen.
Djupare analyser och beräkningar med utgångspunkt i de materialtekniska aspekterna
kommer ej genomföras på flexbalken under utsatt projekttid.
Grupp D1 4
Midjeled till vält
2 Metod
Dynapacs nuvarande lösning som illustreras i figur 1 består,
enkelt sammanfattat, av två lagrade axlar placerade
ortogonalt mot varandra för att tillåta rörelse dels runt en
tänkt vertikalaxel, dels runt en tänkt horisontalaxel. Denna
typ av led är för närvarande dominerande på marknaden
och Dynapac är enligt egen utsago på jakt efter ett nytt
koncept eftersom det i nuläget finns problem man ej anser
sig kunna lösa genom förbättring av den nuvarande
lösningen. Ett koncept som tas fram i dagsläget bör kunna
förbättras gentemot den nuvarande lösningen på följande
punkter enligt Dynapac:







Figur 1. Dynapacs nuvarande led
Dagens midjeled har en kostnadsbesparingspotenial. När midjan konstruerades av Dynapac
hamnade kostnaden 34 % högre än målpriset. Ej kalkylerade problem medförde att relativt
dyra konstruktionslösningar fick väljas vilket medförde ett högre slutpris.
Lagerinstallationen är känslig mot smuts vilket ställer höga krav på tätning.
Lagerbanan ligger inuti midjeleden vilket gör att vid ett haveri blir reparationskostnaderna
dyra då stora delar behöver bytas.
Kanttryck på tiltbussningen är en svag punkt då bussningarna är tunna.
Mikrorörelser mot vagnsmuttrar kräver polygonbricka och locktite.
Höga laster på styraxlar ger krav på höghållfasta stål.
Många ingående komponenter.
2.1 Kravsammanställning
För att kunna tillfredställa produktens alla intressenter har olika krav fastställts och summerats.
Dessa krav bör uppfyllas för att uppnå ett högre kundvärde och är mycket viktiga att utgå ifrån under
utvecklingsprocessen. Flera kundundersökningar har gjorts med ett flertal av produktens
intressenter, för att så bra som möjligt få en inblick i vad kunden förväntar sig av produkten.
Telefonintervjuer har utförts med bl.a. opinionsbildare (tidsskriften Maskinentreprenören) och
återvinningsanläggningar (Recycla.se, Stena Metall). Vidare har flera intervjuer gjorts på plats med
uppdragsgivaren (Dynapac), återförsäljaren (Atlas Copco CMT Sweden AB) och operatörer (Förare på
anläggningsföretag).
Intressenternas önskemål och krav konkretiserades, sammanställdes och en preliminär
kravspecifikation ställdes upp och en metodisk konceptgenerering påbörjades. Existerande lösningar
undersöktes och bedömdes, patentarkiv genomsöktes efter relevanta idéer och inspiration hämtades
från andra delar av marknaden.
En referenslösning fastställdes ur dessa data och en funktionell modell skapades för att lättare få en
överblick över funktioner och delsystem. Även en utvärdering ur ett kundvärdesperspektiv skedde.
På detta följde kreativa brainstormingsessioner där flertalet idéer togs fram för fortsatt utvärdering.
Därefter genomfördes en iterativ förbättringsprocess i kombination med att koncept sållades bort.
Detta gjordes med hjälp av elimineringsmatriser där alla koncept bedömdes och betygsattes. Då ett
Grupp D1 5
Midjeled till vält
koncept valts för vidareutveckling omarbetades den preliminära kravspecifikationen utifrån det valda
konceptets utformning och egenskaper till en slutgiltig kravspecifikation.
När ett koncept valts intensifierades utvecklingen av detta koncept. En funktionell modell användes
för att få en överblick över funktioner och delsystem och med hjälp av denna modulariserades även
konceptet. Även en gränssnittsmatris togs fram för att underlätta förståelsen av interaktionen mellan
de olika modulerna.
2.2 Detaljkonstruktion
Då ett koncept valts och vidareutvecklats bör alla delsystem analyseras med avseende på last- och
utmattningskrav för att möjliggöra en dimensionering av i första hand de kritiska delsystemen. Med
kritiska delsystem menas flexbalken och inneraxel med tillhörande lagring.
Beräkningarna som utförts grundar sig i de krav som finns sammanställda i kravspecifikationen. Valet
av material och hållfasthetsberäkningarna sker i en iterativ process då matrialvalet är långt ifrån
självklart. Möjliga material söktes på materialdatabaser som exempelvis
MatWeb(http://www.matweb.com). Tidigare förvärvade kunskaper inom materialteknik,
hållfasthetslära och mekanik applicerades på det aktuella fallet och beräkningar utfördes främst med
hjälp av Handbok och formelsamling i hållfasthetslära (Bengt Sundström, 1998), Grundläggande
hållfasthetslära (Hans Lundh, 2000) och Lärobok i Maskinelement (Mart M., Kjell M, 2009). När alla
beräkningar utförts och materialvalen fastslagits utformades alla detaljer i modelleringsprogrammet
CATIA. Detta gav möjligheter att studera och visualisera konceptet för att få insikt i vad som skulle
kunna förbättras med konstruktionen. Efter att modellerna för de olika detaljerna konstruerats och
modellerats klart i CATIA, renderades ritningar med dimensioner och toleranskrav som krävs för
noggrannhet ur konstruktions- och tillverkningsperspektiv.
En prototyp skapades i slutskedet av projektet för att få en djupare förståelse för rörelsemönster hos
konceptet samt för att kunna utvärdera flexbalkens funktion i verkligheten.
2.3 Kostnad och tillverkning
I utvecklingen av ett koncept ingår det även att ta fram passande tillverkningsprocesser, välja
material för alla ingående detaljer samt göra en kostnadsuppskattning för hela produkten med
avseende på både material- och tillverkningskostnad.
Med hjälp av boken Process Selection(K.G. Swift, 2003) valdes tillverkningsprocesser och material ut
och kostnader för olika detaljer beräknades. Ett flertal alternativ beaktades för att kunna minimera
totalkostnaden. För ingående detaljer, som information saknas om i Process Selection, har tillverkare
kontaktats och en preliminär kostnad för detaljen ifråga har kunnat diskuteras fram.
Grupp D1 6
Midjeled till vält
3 Resultat och Diskussion
3.1 Valt koncept
Konceptet är tänkt att fungera enligt följande:




De förutbestämda
gränssnitten som återfinns
på det bakre och främre
ramverket har som funktion
att fästa leden i respektive
maskinhalva.
Den vertikala axeln, placerad
mitt i leden enligt figur 2,
har som funktion att tillåta
svängning i horisontalled av
maskinen.
Styröglorna, placerade på
respektive sida om den
vertikala axeln enligt figur 2, Figur 2. Nyutvecklat koncept
skall överföra de krafter som
styrcylindrarna producerar.
Flexbalken, den gröna horisontellt placerade balken enligt bild X, har som uppgift att tillåta
vinkling av maskinhalvorna i tiltled. Detta kommer att ske genom att balken flexar.
3.1.1 Dimensionering och materialval
3.1.1.1 Avgränsningar
På grund av rådande tidsbrist i IKOT-projektet togs beslutet att endast utföra beräkningar på
flexbalken och lagren med tillhörande inneraxel då dessa är dimensionerande och dessutom
avgörande för projektets fortskridande. Främre och bakre ramverk har inte lika stora krav på
detaljdimensionering och gränssnitten kommer följa de som redan nu används av Dynapac i deras
befintliga lösning.
3.1.1.2 Flexbalken
Redan innan beräkningarna påbörjades fanns en klar uppfattning om att flexbalken skulle bli den
mest komplicerade komponenten att konstruera och även den som skulle komma att avgöra om
konceptet var genomförbart eller inte, därför har störst vikt lagts på dimensionering av denna. Den
initiala utformningen av konceptet med flexbalken i längsled klarade ej av de krav som ställdes på
tiltfunktionen och fick revideras. En ny utformning med flexbalken placerad tvärsgående valdes
istället att vidareutvecklas. Även denna idén kom från framvagnen hos en corvette.
Ganska snabbt insågs att balken skulle behöva ha rektangulärt tvärsnitt för att klara av tillräcklig
utböjning utan att ställa orimligt höga krav på E-modulen. Då balkens längd är det mått som är
dimensionerande pga. styrvinkel och skrymmande utrymmen sattes denna till max 0.8 m, detta är
alltså den fria längden vilket resulterar i en total längd på max 1 meter. Genom att laborera med olika
Grupp D1 7
Midjeled till vält
dimensioner på tvärsnittet och olika längder på balken kunde olika kombinationer av E-moduler och
flytspänningar beräknas. Sedan försökte dessa paras ihop med befintliga material.
Resultatet av beräkningarna,utifrån de slutgiltiga dimensionerna, blev följande:
Maxspänning enligt von Mises(dubbel säkerhet): 1240 MPa
Önskvärd E-modul: 67 Gpa
De fullständiga beräkningarna finns i bilaga B.
3.1.1.3 Materialval
Slutsatsen utifrån resultatet i ovanstående stycke blev att glasfiber är ett av de få material som
faktiskt funkar vid de här dimensionerna. Glasfiber har en E-modul som ligger runt 70 GPa och en
brottspänning som starkt varierar med sammansättningen men alltid överstiger 2000 Mpa. Valet av
glasfiber säkerställs ytterligare av att detta sammanfaller med ursprungsobjektets materialval
(Chevrolet Corvette C4 och framåt).
De slutliga dimensionerna med glasfiber som material blev alltså följande:
ℎ=0,065
, Hela balkens längd(fri längd)
, Balkens höjd (z-led)
, Balkens bredd (x-led)
Dessa dimensioner är rimliga ur både produktionssynpunkt och kostnadssynpunkt.
3.1.1.4 Kommentar av materialval
Redan då konceptet valdes insågs det att materialvalet i flexbalken skulle bli en stor utmaning och att
produkten till stor del skulle stå och falla med detta. Kraven på materialet i flexbalken är relativt
komplicerade och innefattar en hög brottspänning och en låg elasticitetsmodul, denna kombination
visade sig vara svår att realisera i praktiken och en omfattande sökning i materialdatabaser har
genomförts. Efter att dessa materialundersökningar genomförts i samband med beräkningar utförda
på det ursprungliga konceptet visade det sig att denna utformning av flexbalken ej är genomförbar
utan omfattande forskning inom materialteknik. Istället togs ett snabbt beslut att använda en
alternativ utformning och placering av flexbalken för att möjliggöra applicering av dagens
materialteknik. Till den nya utformningen och placeringen hämtades inspiration från de
kompositfjädrar som används i framvagnen på Chevrolet Corvette sedan 1984 enligt The Beauty of
Fibreglass Springs (Michael Lamm, 1984). Trots detta var en kompromiss tvungen att genomföras där
kravet på tiltvinkeln sänktes till lägsta acceptabla nivå utifrån kravspesificationen för att hitta en
existerande kombination av ovanstående materialegenskaper.
Då materialet som valdes är anisotropiskt i sin natur ställer detta krav på utvecklingsmetoder som
inte funnits tillgängliga och dessutom är genomförandet av dessa orimliga att ta sig an inom den
utsatta tidsramen för projektet. Trots detta gjordes en bedömning att materialvalet är befogat
genom grundläggande hållfasthetsberäkningar och rimliga antaganden. Då samma material redan
används i befintliga massproducerade lösningar i liknande fall(fordonsindustrin) tolkas detta som att
anisotropin inte nödvändigtvis behöver medföra några komplikationer.
Grupp D1 8
Midjeled till vält
Livslängden är en viktig faktor vid utvecklingen av konceptet och valet av glasfiber som material
rättfärdigas också vid en jämförelse med stål(Bladfjädrar i kompositmaterial, Emelie Magnusson, LTU
2007). Enligt Magnusson är kompositmaterial mer utmattningsbeständiga än stål. Dessutom sker
inget kritiskt brott av kompositen, istället avtar funktionen gradvis. Magnusson menar också att
infästningarna kan medföra vissa komplikationer då kompositen är relativt slagkänslig, utformningen
av dessa infästningar är dock något som ej tagits i beaktande i projektet.
3.1.1.5 Inneraxel och lager
För att dimensionera axeln och lagren i axelkonstellationen gjordes beräkningar med de lastdata som
tillhandahållits. Även dessa beräkningar finns i bilaga B.
Lagringen vrids med låg hastighet och roterar ej hela varv vilket medför att glidlager är lämpliga.
Glidlager klarar höga statiska laster och kan göras självsmörjande.Utifrån lagervalet skedde
beräkningarna i huvudsak på inneraxeln.
Minsta erforderliga axeldiameter erhölls vid utmattning och blev D=98,4 mm med stålet 142534-5.
Detta är ett relativt vanligt axelstål. För att öka urvalet valdes därför standarddimensionen D=100,0
mm. Då ytteraxeln inte skall glida på grund utav den axiella kraften som verkar på den krävs ett grepp
mellan ytteraxel och inneraxel. Ett minsta grepp beräknades till Δ=29,6 µm. Dessa mått utgår från
diametermåtten på de båda komponenterna. För mer ingående beräkningar se bilaga B.
3.1.2 Tillverkningsprocesser och kostnadsuppskattning
Tillverkningsmetoder för de olika delsystemen redovisas nedan. I beslutsprocessen som lett fram till
valet av tillverkningsmetod har flera aspekter beaktats. Kostnad, hållfastheten på slutkomponenten
och om tillverkningsmetoden är rimlig i det aktuella fallet har tagits hänsyn till.
Vid kostnadsberäkningen har dimensioner och materialval som redovisats i 3.1.2 Dimensionering och
materialval använts. Kostnadsberäkningar har gjorts för flertalet lämpliga tillverkningsmetoder för
varje komponent för att säkerställa att rätt kombination av tillverkningsmetod och material slutligen
valts. Beräkningar som legat till grund för valet redovisas i bilaga C.
3.1.2.1 Ledens komponenter
För det bakre ramverket har sandgjutning valts som tillverkningsmetod. Detta baseras på den
antagna seriestorleken på 5000 exemplar/år, komponentens komplexitet samt kostnadsberäkningen
som alla visar att sandgjutning är en lämplig tillverkningsmetod. Utöver gjutning kommer fräsning av
lagerkoppar samt borrning av hål till infästningen mot maskinen krävas. Totalkostnaden för
komponenten uppskattas till 692 kr/detalj.
Även ytteraxeln har valts att sandgjutas av samma anledningar som för det bakre ramverket. Utöver
gjutning tillkommer fräsning av hål för den genomgående inneraxeln. Totalkostnaden för
komponenten uppskattas till 353 kr/detalj.
Enligt våra kostnadsberäkningar är den billigaste tillverkningsmetoden för det främre ramverket
svetsning. Dock väljs även här sandgjutning, som enligt beräkningarna ska vara något dyrare, för att
homogenisera tillverkningen. Utöver gjutning tillkommer borrning av hål för infästning av flexbalken
samt infästning mot främre maskinhalvan. Totalkostnaden för komponenten uppskattas till 399
kr/detalj.
Grupp D1 9
Midjeled till vält
Som tillverkningsmetod för inneraxeln väljs svarvning då det är allmän praxis att använda svarvning
vid tillverkning av axlar. Totalkostnad för komponenten uppskattas till 705 kr/detalj.
Tillverkningen av flexbalken är mycket komplicerad då man behöver ta hänsyn till fiberriktningar,
fiberlängder, matrismaterial etc som i stor utsträckning påverkar materialets mekaniska egenskaper.
För att kunna göra en kostnadsuppskattning samt få mer kunskap om tillverkningsprocessen har
experthjälp på företaget Härdplastteknik AB nyttjats. Totalkostnaden för komponenten har
uppskattats av Härdplastteknik AB till 2500 kr/detalj.
3.1.2.2 Totalkostnad och slutsatser
Utöver kostnaden för de komponenter som redovisats ovan tillkommer i totalkostnaden även
kostnad för glidlager samt monteringskostnad. Lagerkostnaden har uppskattats av företaget D&E
Trading AB till 96 kr/lager. Monteringskostnaden uppskattas m.h.a boken Process selection (K.G swift
2003). Totalkostnaden, kostnaden för de olika komponenterna, monteringskostnaden samt
tillverkningsmetoderna för de olika komponenterna finns redovisade i bilaga C.
Kostnaden för Dynapacs nuvarande led ligger 34 % över målpriset 14900 kr. Att sänka kostnaden har
därför varit en viktig del av arbetet i projektet. Ser man till kostnadsberäkningarna som utförts enligt
boken Process Selection har denna del av projektet lyckats mycket bra och midjeledens tillverkning
och monteringskostnader uppgår till 4847 kr. Granskar man beräkningar kritiskt ser man dock att de i
vissa avseenden är mindre bra, speciellt är det monteringskostnaderna som är orimligt låga. Detta
tros bero på att beräkningsmetoderna är anpassade för montering längs en lina med mycket höga
serier. Även tillverkningskostnaderna kan vara något låga av samma anledning men i detta fall tros
skillnaden inte vara lika stor.
Väger man in de underskattade kostnaderna för montering och tillverkning bör fortfarande den
totala kostnaden för den nyutvecklade midjeleden hamna under målpriset och innebära en
betydande förbättring jämfört med Dynapacs nuvarande lösning. Kostnadsbesparingar har gjorts på
flera punkter. Ett exempel är att fästpunkterna för hydralarmarna konstruerats om vilket gjort att
användandet av dyrt höghållfasthetsstål kunnat undvikas, dessutom har konstruktionen förenklats
och antalet ingående komponenter minskats.
Det nya konceptet har inte några tiltbussningar vilket medför vissa fördelar då det inte längre finns
några inbyggda glidlager som försvårar servicen. Det är relativt enkelt att byta flexbalken om denna
av någon anledning skulle behövas byta och dessa ändringar medför kortare servicetider och billigare
reparationer.
3.1.3 Prototyp
Med hjälp av prototypen har tester utförts, resultatet av dessa redovisas nedan:
Tester enligt figur 3 visar att principen för
tiltfunktionen fungerar även i praktiken. Att bedöma
om en led i fullskalig storlek skulle klarat kraven på
tiltvinkel är dock svårt utifrån prototypen då dess
flexbalk är konstruerad i ett annat material än det som
är tänkt att användas i den färdiga leden. Dock ger det
en fingervisning av hur konstruktionen skulle fungera i
Figur 3. Test av tiltfunktion
Grupp D1 10
Midjeled till vält
fullskala och utifrån testerna anses lösningen vara fullt
realiserbar.
Tester visade även att styrfunktionen fungerade enligt
plan. Framförallt visade sig flexbalken längd inte vara
en begränsande faktor gällande styrvinkeln. Dock
noterades att ytteraxeln kan komma att begränsa
styrvinkeln vilket bör beaktats vid vidare utveckling,
detta tydliggörs i figur 4.
Ytterligare en sak som uppmärksammades under testet Figur 5. Test av styrfunktionen
var ledens möjlighet att ta upp kraft och tillåta viss
flexibilitet i färdriktningen vilket kan ses i figur 5.
Möjligheten att flexa i färdriktningen är en funktion
som även innehas av referenslösningen och möjliggör
större komfort för vältoperatören. Tyvärr kan detta
även medföra komplikationer med amplituden på
valsen, här har dock en avgränsning redan etablerats
utav uppdragsgivarna varför denna fråga lämnas över
till fortsatt utveckling.
3.2 Krav och måluppfyllnad
Figur 4. Test av flexibilitet i färdriktningen
Det framtagna konceptet bör utvärderas utifrån flera
olika aspekter för att få en objektiv bedömning av huruvida projektet skall betraktas som lyckat eller
ej. I första hand bör utvärderingen ske gentemot den fastslagna kravspecifikationen men även
jämförelser mot Dynapacs nuvarande lösning och andra konkurrenters lösningar på marknaden är
högst relevanta.
3.2.1 Kravuppfyllnad
Denna utvärdering kommer genomgående hänvisa till den slutgiltiga kravspecifikationen som finns i
bilaga D.



Konceptet i dess nuvarande utförande klarar de lastkrav som ställs på produkten av Dynapac
och som ingår i den uppställda kravspecifikationen. Det har utförts beräkningar på flertalet
vitala ingående detaljer i produkten, dessa beräkningar kan ses i bilaga B. På ingående
detaljer som ej har ansetts vara dimensionerande har beräkningar ej utförts på grund av
tidsbrist.
Kraven på svängvinkel och tiltvinkel anses vara uppfyllda dock med vissa reservationer för
tiltvinkel då endast minimikravet uppfylls i detta fall. Detta beror till stor del på materialvalet
och utformningen av flexbalken. En viss risk finns att tiltfunktionen hämmas då det behövs
en viss tyngd på maskinen för att uppnå det moment som krävs för att flexa balken. En
djupare analys av materialets påverkan på produkten görs i avsnitt 3.1.1.4 Kommentar av
materialval.
Utformningen av styröronen bör medföra att lasten i dessa har minskats på ett sådant sätt
att höghållfast stål ej skall vara nödvändigt i konstruktionen. Beräkningar på detta har tyvärr
ej utförts på grund av bristande kunskaper inom FEM(Finita Element-Metoden).
Grupp D1 11
Midjeled till vält



Låsfunktionen är löst på enklast möjliga sätt genom användning av en sprint som förhindrar
vridning och utformningen är sådan att en person lätt kan utföra operationen. Låsöglorna är
även rödmarkerade för snabb och lätt identifikation.
Instabilitet i horisontalled och vertikalled är något som är högst relevant men svårt att
faställa utsträckningen av i det specifika fallet. Detta är något som till stor del beror på hur
materialet uppför sig vid olika belastningsfall.
Enligt beräkningar utförda med hjälp av boken Process Selection (K.G Swift 2003) har
kostnaden för tillverkning av produkten underskridit den budgeterade kostnaden högst
påtagligt. Vissa specifika delar av beräkningarna kan dock anses orimliga då exempelvis
monteringskostnader blev orealistiskt låga.
3.2.2 Utvärdering gentemot Dynapacs nuvarande lösning
Då Dynapacs nuvarande lösning överskred den tänkta budgeten med 34% vilket innebär en
tillverkningskostnad på runt 20000 kr/st. Då detta var ett av de större problemen med denna led är
det önskvärt med en radikal minskning av kostnaderna hos det nya konceptet och detta är också
något som har uppfyllts med råge då kostnaderna har minskat till ca 5000 kr/st enligt utförda
kostnadsuppskattningar.
En anmärkningsvärd förbättring gentemot Dynapacs led är avskaffandet av en lagrad axel i tiltled,
detta medför bland annat att antalet bussningar minskar betydligt och därmed ökar den troliga
livslängden. Service av produkten kommer att underlättas då de bussningar som återfinns i det nya
konceptet är lättåtkomligt placerade jämfört med Dynapacs led. Även komplexitetsgraden har
minskat i och med att axeln i tiltled har rationaliserats bort.
En mindre bra egenskap med den innovativa utformningen av det nya konceptet är den begränsade
tiltvinkeln som uppfyller kraven men ej klarar av att matcha prestandan hos Dynapacs led.
3.2.3 Marknadsmässig konkurrenskraft
Då en genomgång av befintliga produkter på marknaden genomfördes i ett tidigt skede av projektet
för att ta till vara på bra existerande lösningar kan en snabb analys av konceptets möjligheter att
hävda sig på dagens marknad vara ett bra komplement till utvärderingar gentemot
kravspecifikationer och Dynapacs egna lösningar.
En framstående produkt på marknaden är tyska Hamms led och under projektets inledande fas
valdes den till referenslösning då den ansågs ha ett högt kundvärde. En stark fördel med det nya
konceptet är att priset troligen är avsevärt lägre än kostnaden för Hamms led bland annat beroende
på lägre komplexitet, mindre tekniskt komplicerade lösningar och troligtvis enklare montering.
En funktion som höjer kundevärdet hos Hamms led är den självåtergående styrningen. Denna
funktion iakttogs under projektet men lyckades aldrig inplementeras i det nya konceptet.
Grupp D1 12
Midjeled till vält
4 Slutsats och rekommendationer
Grundtanken genom hela projektet har varit att uppfylla Dynapacs önskemål om att leverera ett helt
nytt koncept. Utvecklingen av ett sådant medför givetvis även att vissa funktioner ej kommer att
utföras optimalt från start. Under utvecklingen av konceptet uppdagades både positiva och negativa
effekter av önskemålet att leverera ett nytt och innovativt koncept.







Konstruktionen med endast en axel har medfört att antalet komponenter har kunnat
minskas. Bussningarna som var ett problem i Dynapacs nuvarande lösning har i och med
detta kunnat rationaliseras bort.
Den öppna konstruktionen medför förenklad service.
Konstruktionen medför att hyttens rörelse minskas då man kör över ojämnheter rakt på.
Det finns det en viss osäkerhet angående hur leden uppför sig vid mindre belastningar.
Balken kan behöva omdimensioneras vid användning på olika maskinstorlekar.
I nuvarande stadie möjliggörs endast tiltning upp till 6⁰.
Ett tiltstopp behöver implementeras i konceptet för att undvika att flexbalken överbelastas.
En sådan funktion finns på Dynapacs nuvarande lösning.
En central del i midjeleden är just den flexande balken i vilken, som nämnts ovan, det finns en stor
utvecklingspotential. Användningen av glasfiber i denna typ av applikation skapar nya möjligheter
konstruktionsmässigt och fortsatt utveckling inom detta område kommer troligtvis resultera i
förbättrade produkter och kanske även utökade användningsområden. I dagsläget är prestandan,
beroende på bristande kunskap inom kompositmaterial, inte optimal(se ovanstående punktlista) men
detta vägs upp av de möjligheter som finns inom nytänkande konstruktion och ökat kundvärde. För
att uppnå detta krävs dock relativt omfattande forskning inom kompositmaterial och dess
användbarhet inom detta område. Andra ingående komponenter i konceptet är i stort sett
standardlösningar som det redan finns ett flertal lösningar på och kommer troligtvis inte att vålla
några större problem under en eventuell vidareutveckling.
Beräkningar som utförts vid dimensioneringen av flexbalken är till stor del irrelevanta för den
slutgiltiga produkten på grund av att förenklingar och antaganden har gjorts. Resultatet ger dock en
fingervisning om att det inte är helt omöjligt att använda sig av glasfiber i en applikation som denna.
Dessutom har preliminära kostnadsberäkningar visat att budgeten hålls utan problem. Kommersiell
produktion av konceptet rekommenderas dock inte i dagsläget. Nästa steg borde istället vara att
tillverka en fullskalig prototyp att utföra tester på och sedan vidareutveckla leden.
Grupp D1 13
Midjeled till vält
5. Källförteckning
Nedan följer de källhänvisningar som används i rapporten.
Litteratur:
The Value Model - How to Master Product Development and Create Unrivalled Customer, Lindstedt &
Burenius, Sverige: Nimba AB, (2006)
Handbok och formelsamling i hållfasthetslära, Bengt Sundström (red.), KTH, Stockholm, (1998)
Grundläggande hållfasthetslära, Hans Lundh, KTH, Stocholm, (2000)
Process Selection – from design to manufacturing, K.G Swift, J.D Booker, USA: Elsevier Science &
Technol, (2003)
Lärobok i Maskinelement, Mart Mägi, Kjell Melkersson, Göteborg, (2009)
Internetlänkar:
MatWeb, url: http://www.matweb.com
Bladfjädrar i kompositmaterial, Emelie Magnusson, LTU 2007, url: http://epubl.ltu.se/14021617/2007/177/LTU-EX-07177-SE.pdf
P44 – The Newest Corvette, The Beauty of Fibreglass Springs, Michael Lamm, 1984, url:
http://temp.corvetteforum.net/c4/gcrouse/Suspension/fiberglass_spring.gif
Grupp D1 14
Midjeled till vält
Bilaga A Ritningar
Denna bilaga innehåller ritningar till de dimensionerade delkomponenterna som ingår i konceptet.
Ritning 1. Flexbalken
Ritning 2. Främre ramverk
Grupp D1 15
Midjeled till vält
Ritning 3. Genomgående axel
Ritning 4. Bakre ramverk
Grupp D1 16
Midjeled till vält
Bilaga B Beräkningar
Dimensionering för maxlaster
Givna värden för lastfall, maximala laster (Dynapac):
Genomförandet av hållfasthetsberäkningar för balken kräver att dimensionerna är kända. Detta har
skett i en iterativ process, värdena som redovisas nedan är de slutgiltiga värdena. Efter testräkningar
med flera olika tvärsnitt insågs snabbt att ett rektangulärt tvärsnitt är det mest fördelaktiga för att
tillåta tillräckligt stor utböjning av balken vid tiltning trots en någorlunda hög E-modul för materialet.
ℎ=0,065
, Hela balkens längd(fri längd)
, Balkens höjd (z-led)
, Balkens bredd (x-led)
Vid beräkningarna utnyttjades symmetrin varefter beräkningar endast behövde göras på halva
balken. Balken approximerades med fast infästning i ena änden och fri ände i den andra änden.
Resulterande böj- och vridmoment beräknades enligt följande:
Spänningsberäkningar utfördes mha Naviers formel:
Skjuvspänning beräknades enligt följande formel:
Grupp D1 17
Midjeled till vält
Konstanterna i nämnarna i ovanstående formler är beroende av tvärsnittets storlek, för ett
rektangulärt tvärsnitt beräknas de enligt nedan:
ℎ
ℎ
ℎ
Där det tabellerade värdet F2 är taget ur KTH Formelsamling:
Flytspänningen(med en säkerhet på 1,2) hos material kunde sedan beräknas mha Von Mises
effektivspänningsformel:
E-modulen beräknades genom ett villkor på tiltvinkeln, :
Där vinkeln är vald till 6 grader, kravet från Dynapac är 6-9 grader men beräkningar visar att
befintliga material ej klarar hållfasthetskraven vid en sådan utböjning om balken ska hållas inom
rimlig längd:
och yttröghetsmomentet beräknas enligt följande:
ℎ
Efter flertalet itereringar där olika kombinationer av dimensioner undersöktes fastslogs följande
kombination av maxspänning och E-modul som den mest realiserbara.
Spänningar i flexbalken
Maxspänning enligt von Mises: 1240 MPa
Önskvärd E-modul: 67 GPa
Grupp D1 18
Midjeled till vält
Efter mycket letande efter passande material kunde det konstateras att en balk med ovan givna
dimensioner tillverkad i glasfiber uppfyller ovanstående krav på hållfasthet och böjlighet.
Inneraxel och lager
För att dimensionera axeln och lagren i axelkonstellationen gjordes beräkningar med de lastdata som
getts.
Lastdatan ger ett böjmoment i de olika planen enligt (1),(2), L antas vara 0,145m och motsvarar halva
axellängden:
Dessa ger i sin tur böjspänningar i de olika riktningarna enligt (3) där Wb beror av axelradien.
Effektivspänningen ges sedan av Von Mises enligt (4), en säkerhetsfaktor på 1,2 används enligt krav
från Dynapac.
Ett stål för axeln väljs preliminärt och en erforderlig axeldiameter med avseende på hållfasthet
itereras därefter fram.
Samma princip tillämpas vid dimensionering mot utmattning fast med andra givna laster(5).
Utmattningsgränsen σu reduceras med Ks=0,8 och Kd=0,8 enligt (6).
Även här görs en iteration vilket ger minsta erforderliga axeldiameter med avseende på utmattning.
Dessa två iterationer ger en minsta erforderliga axeldiameter D=98,4 mm med stålet 142534-5. För
att utöka axelvalen väljs standarddimensionen D=100,0 mm.
Den radiella kraften på lagren är definierad enligt (7),(8),(9) och den axiella enligt (10).
Grupp D1 19
Midjeled till vält
Grepp-passning mellan inneraxel och ytteraxel
För att ytteraxeln inte skall glida p.g.a den axiella kraften som verkar på den krävs ett grepp mellan
ytteraxel och inneraxel. Greppet ger ett tryck P mellan axlarna som beräknas enligt formel 11-90
grundläggande hållfashetslära, m.h.a lite algebra görs formeln om till(1) där Δ är greppet.
Trycket ger en resulterande kraft N enligt (2) där D=0,1m och h=0,08m.
ℎ
Friktionsvillkoret (3) där µ antas vara 0,1 ger tillsammans med (1),(2) det erforderliga greppet Δ.
Detta ger ett minsta grepp Δ=14,8 µm. Ett grepp med säkerhetsfaktor 2 väljs, alltså Δ=29,6 µm.
Grupp D1 20
Midjeled till vält
Bilaga C Kostnadsberäkningar
Tillverkningskostnad
Grupp D1 21
Midjeled till vält
Monteringskostnad
Grupp D1 22
Midjeled till vält
Kostnadsträd
Kostnadsträd gjutning
Kostnadsträd svetsning
Grupp D1 23
Midjeled till vält
Bilaga D Kravspecifikation