Ontwerp van een aandrijving voor een montagekar

Departement Industriële Wetenschappen en Technologie Opleiding bachelor in de elektromechanica Afstudeerrichting elektromechanica

Ontwerp van een aandrijving voor een montagekar

Eindwerk aangeboden tot het behalen van het diploma van bachelor in de elektromechanica door

Hannes Demeulemeester

o.l.v. Patrick Declerck, KHBO Marleen Laforce, KHBO Academiejaar 2008 - 2009

talent@work KHBO Campus Oostende ● Zeedijk 101 ● B-8400 Oostende ● Tel. +32 59 56 90 00 ● Fax +32 59 56 90 01 ● www.khbo.be

Mededeling Deze eindverhandeling was een examen. De tijdens de verdediging geformuleerde opmerkingen werden niet opgenomen.

Woord vooraf Bij het voorleggen van dit eindwerk, wil ik mijn dank betuigen aan alle mensen, die door hun steun en medewerking bijdroegen tot de realisatie van dit eindwerk. Dank aan… …mijn promotor in het bedrijf Mvr. Ines Laethem voor de begeleiding doorheen het bedrijf en mijn werk. …mijn promotor van de Hogeschool Ing. Patrick Declerck. …de mensen van Spicer waarmee ik het genoegen had om samen te werken. Hierbij wil ik in het bijzonder dhr. Jean-Pierre Gereels vermelden, die met zijn technische kennis in praktische problemen vele malen een oplossing aanbood. …al mijn studiegenoten bij wie ik steeds terecht kon met allerlei vragen en die een grote steun voor mij betekenden. Tot slot nog dank aan mijn ouders, zussen, vrienden en familie om mij steeds opnieuw te motiveren om door te zetten.

Brugge, mei 2009 Hannes Demeulemeester.

4

Inhoud Mededeling ............................................................................................................................. 3 Woord vooraf......................................................................................................................... 4 Inhoud...................................................................................................................................... 5 Abstract ................................................................................................................................... 7 Hoofdstuk 1 : Inleiding...................................................................................................... 8 1.1 Geschiedenis van het bedrijf............................................................................... 8 1.1.1 De multinational............................................................................................... 8 1.1.2 De vestiging in Brugge ................................................................................ 11 1.2 Vooruitzichten ......................................................................................................... 12 1.3 Organigram .............................................................................................................. 13 1.3.1 De Staal- en warmtebehandelingsafdeling.......................................... 13 1.3.2 De montage ..................................................................................................... 13 1.4 De producten........................................................................................................... 15 1.4.1 De koppelomvormer ..................................................................................... 15 1.4.2 De powershifts-transmissie ....................................................................... 16 Hoofdstuk 2: Huidige situatie en probleemstelling .............................................. 18 2.1 Kennismaking met de montage ....................................................................... 18 2.1 Probleemstelling..................................................................................................... 21 Hoofdstuk 3: De ontwerp fase...................................................................................... 22 3.1 Basis eisen................................................................................................................ 22 3.1.1 Energie............................................................................................................... 22 3.1.2 Veiligheid........................................................................................................... 22 3.1.3 Ergonomisch .................................................................................................... 23 3.2 Brainstorming.......................................................................................................... 23 3.3 Marktonderzoek...................................................................................................... 26 3.3.1 Movexx............................................................................................................... 26 3.3.2 Variodrive.......................................................................................................... 28 Hoofdstuk 4: De voorstellen ......................................................................................... 29 4.1 Voorstel 1: elektromotor .................................................................................... 29 4.2 Voorstel 2: mechanische handaandrijving door middel van hendel en kettingoverbrenging ..................................................................................................... 35 4.3 Voorstel 3: mechanische aandrijving door middel van een hefboom43 4.3.1 hefboom en wrijvingsvoet op de grond ................................................ 43 4.3.2 hefboom is een ringratelseutel................................................................. 44 Hoofdstuk 5: De uitwerking van de hefboom......................................................... 46 5.1 De overbrengingen................................................................................................ 46 5.2 De ringratelsleutel ................................................................................................. 47 5.3 De slipkoppeling ..................................................................................................... 48 5.4 De vaste koppeling aan het wiel...................................................................... 50 5.4 De vaste koppeling aan het wiel...................................................................... 51 5.5 De afscherming ...................................................................................................... 52 5.6 Risico veiligheid ...................................................................................................... 53 Hoofdstuk 6: De realisatie ............................................................................................. 55 6.1 Het draaiwerk.......................................................................................................... 55 6.2 De montage ............................................................................................................. 56 5

6.3 Resultaat prototype .............................................................................................. 56 6.4 Kosten berekening ................................................................................................ 57 Algemeen besluit ............................................................................................................... 59 Literatuurlijst ....................................................................................................................... 60 Bijlage .................................................................................................................................... 61

6

Abstract Het bedrijf Spicer Off-Highway Products Division-Brugge produceert transmissies voor zwaar rollend materieel. Deze transmissies worden manueel gemonteerd op standaard montagekarren, ontworpen en gemaakt door de toolingafdeling. Het huidig probleem is dat de karren tijdens de montage, en nadien naar de testbank, manueel moet geduwd worden. Het gewicht van een kar met een transmissie kan oplopen tot ongeveer 1000kg. Mijn taak is om de verschillende mogelijkheden tot aandrijven van de kar te onderzoeken en tot een besluit te komen. Dit alles met als basis eis: veiligheid en ergonomie van de montagehal te verbeteren. Om het eindwerk af te sluiten is er nog overgegaan tot de realisatie van een prototype.

7

Hoofdstuk 1 : Inleiding 1.1 Geschiedenis van het bedrijf 1.1.1 De multinational

Het bedrijf ‘Spicer Off-Highway Products Division’ is gelegen in het industriepark ‘Ten Briele’ in Brugge Sint-Michiels. De vennootschap werd opgericht onder de benaming ‘Clark Automotive Europe N.V.’ op 25 oktober 1968. De oprichting ervan in België en de vestiging in Brugge was een gevolg van een project tussen ‘Clark Equipement Company’ en ‘La Brugeoise et Nivelles N.V.’ om samen ‘powershift’ transmissies te produceren voor de Europese markt. Eind 1969 waren er reeds 193 werknemers tewerkgesteld. Op 29 mei 1971 werd de onderneming 100% dochter van ‘Clark Equipment Company’ en telde het bedrijf al 276 medewerkers.

Figuur1.1: Voorbeeld klant: Volvo

De transmissies, koppelomvormers en assen, die door Clark Components International vervaardigd werden, vinden hun toepassing in machines voor materiaaltransport, bos- en mijnontginning, kranen, tractoren, heftrucks,… met vermogens tot 1000pk. Figuur1.2: Voorbeeld klant: Kalmar industries

8

In 1981 barste het bedrijf uit zijn voegen. De werkplaats werd voor de eerste keer uitgebreid. De totale bebouwde oppervlakte bedraagt sindsdien 29,000 m². In 1990 werd het Noord-Italiaanse bedrijf Hurth Axle overgenomen door de Clark groep, zodat uiteindelijk Clark-Hurth Components ontstond. De groep Clark-Hurth Components kan zo transmissies, koppelomvormers en assen leveren voor alle categorieën werktuigmachines. In april 1995 werd de Clark Equipment Company overgenomen door de multinational Ingersoll-Rand.

Clark-Hurth Components Europe was een afdeling van Clark Equipment Belgium N.V., samen met Clark-Hurth marketing en Melroe Europe. In februari 1997 nam de Dana groep alles over. De naam veranderde zo in ‘Spicer Clark-Hurth Off-highway Components Division’ en later in ‘Spicer Off-Highway Products Division Brugge’ (daar de divisie uit drie afdelingen bestaat). Normaal wordt echter kortweg ‘Spicer Off-Highway’ gebruikt.

Dana is een multinational met meer dan 25.000 medewerkers in 26 landen, verspreidt over alle continenten, met een omzet van meer dan 8,2 miljard Dollar.

Figuur1.3: schema top 10 klanten

9

Hieronder enkele producten die de Dana multinational produceert. - powershift/-shuttle transmissies - assen - voertuigcontrollers - kardanassen

Figuur1.4: voorbeelden van producten

In 1998 werden de eerste stappen gezet in de richting van een nieuw labo. R&D Brugge is het centrum voor de ontwikkeling van transmissies geworden. Het labo werd in 2002 ingehuldigd. De huidige structuur waarin de firma in Brugge is ondergebracht, is als volgt: Dana Off-Highway Systems Group, waartoe zij behoren, is één van de zes Dana Strategic Business Units. De Dana Off-Highway Group bestaat uit volgende divisies: • Gresen Hydraulics Division • Spicer Agriculture Axle Division • Spicer Speciality Axle Division • Spicer Off-Highway • Axle Division • Spicer Outdoor Equipment • Components Division • Spicer Off-Highway Products • Division South-America • Spicer Off-highway Products Division, waartoe Brugge behoort Naast de commerciële naam, waarmee het bedrijf naar buiten treedt, is er nog altijd de naam van de juridische entiteit. Dit wil zeggen: de naam van het bedrijf, zoals het bekend is in de statuten bij het Belgisch handelsregister, de belastingen en de B.T.W. 10

Die naam wijzigen, vergt ernstige inspanningen. Dit wordt niet zo snel gedaan, tenzij absoluut noodzakelijk. De naam van de firma is bijgevolg nog steeds ‘Clark Equipment Belgium N.V.’. Hieruit kunnen we besluiten dat de ontelbare naamsveranderingen die men bij zoveel firma’s vindt, alles te maken hebben met globalisering van de wereldeconomie. De vele fusies en overnames van de ‘kleine’ bedrijven door de ‘grote’, zorgen daarvoor.

1.1.2 De vestiging in Brugge In 1969 werd gestart met de productie van de koppelomvormers in Brugge. Pas in 1972 werden de transmissies geproduceerd. Oorspronkelijk werden in Brugge een aantal modellen geproduceerd die ook in de U.S.A. gefabriceerd werden, om zo de markten aan weerszijden van de Atlantische oceaan te kunnen bevoorraden. Ondertussen is de productie van alle modellen volledig naar Brugge gekomen nadat de fabriek in Statesville gesloten werd. De vestiging in Brugge legt vandaag de dag, de focus op het produceren van tandwielen, gelaste koppelingen en de montage van powershift transmissies.

Figuur1.5: Vestiging Brugge

11

1.2 Vooruitzichten Tegen eind 2009 zullen alle montagelijnen een nieuwe locatie gekregen hebben in de nieuwe montagehal. Hiervoor is een team opgericht die zich focust op de layout van de nieuwe montagelijnen. Via workshops worden technieken aangeleerd om hen hierbij te helpen. 2 workshops hebben reeds plaatsgevonden. De eerste was “Value Stream Mapping”. Hierin moest het team een duidelijke omschrijving geven van het procesgebeuren en werden alle “non value added” (= processtappen die geen meerwaarde geven aan de transmissie), in kaart gebracht. Tijdens een tweede workshop “Standardized Work” is men op zoek gegaan naar gedetailleerde informatie, om deze “non value added” stappen te kunnen elimineren. Hierbij werden testruns gelopen waarbij de onderdelen en de gereedschappen dichter bij de arbeider werden gebracht, zodat deze geen verloren stappen moet zetten. Momenteel heeft het team reeds 40% van de huidige standaardtijd kunnen reduceren en men is nog steeds op zoek om de arbeider nog efficiënter te kunnen laten werken. In de staalafdeling is de workshop “SMED” (Single Minute Exchange of Die) gegeven. Dit is een aanpak die helpt om de output- en kwaliteitsverliezen ten gevolge van het omstellen, te reduceren. Het analyseren van het omstelproces, samen met het bevorderen van teamwork, leiden tot grote reducties in omstelverliezen. In de eerste werkpost, de harddraaicel, heeft men een verbetering doorgevoerd van 3.5uur set-up tot 26.5min. Het is nu de bedoeling om één voor één alle cellen met werkgroepen te gaan analyseren en dezelfde resultaten neer te zetten. Deze verbeteringen zijn nodig omdat, door de toenemende diversiteit en de steeds kleine seriegroottes, de omsteltijd van cruciaal belang is voor de winstgevendheid van het bedrijf (minimum aan voorrraad).

12

1.3 Organigram De werkplaats is op te splitsen in twee grote delen. In de centrale productiehal worden vierduizend verschillende onderdelen tot volautomatische versnellingsbakken geassembleerd. Dagelijks worden er zo’n 120 eenheden geproduceerd. In de twee andere productiehallen worden een aantal kernonderdelen geproduceerd. In zijn totaliteit worden er dagelijks ongeveer 3000 onderdelen vervaardigd.

1.3.1 De Staal- en warmtebehandelingsafdeling Deze is gespecialiseerd in de afwerking van tandwielen en koppelingsonderdelen. Hiervoor gebruikt met een 300-tal NC- en CNCmachines, die voornamelijk in cellen rond twee automatisch gestuurde kraansystemen zijn opgesteld. Het interne transport werd volledig geautomatiseerd door gebruik te maken van twee hoogstapelkranen en een automatisch gestuurd hefvoertuig. In de warmtebehandelingsafdeling worden tandwielen en assen gehard.

1.3.2 De montage Alle onderdelen worden naar de assemblagelijnen gebracht door de logistieke trein. Hier worden er standaard montagekarren gebruikt om de transmissie stap voor stap, volledig te monteren. Er staan ook testbanken in de montageafdeling waar de units getest worden voor ze in de vol automatische stock gaan. Er is ook nog een onrechtstreekse afdeling, de Toolroom genaamd, waar voor de drie voorafgaande afdelingen alle specifieke gereedschappen en opspangereedschappen worden ontworpen en gemaakt. Ook de prototypes van nieuwe ontwerpen worden hier deels vervaardigd. Andere worden uitgeleverd aan kleinere bedrijven. Verdere onmisbare schakels in het productieproces zijn: ontwerpafdeling, de productieafdeling, de kwaliteitsafdeling, personeelsdienst, de aankoopafdeling, de verkoopafdeling, boekhouding, de onderhoudsdienst, de serviceafdeling, de verzending de veiligheids- en milieudienst.

de de de en

Een deel van de benodigde onderdelen voor de montage wordt ruw aangekocht en in de werkplaats afgewerkt. Een ander deel wordt aangekocht in afgewerkte toestand (“ready to use” parts), en nog een ander deel van de onderdelen wordt in onderaanneming gefabriceerd, zowel voor de toolroom als voor andere afdelingen in de productie.

13

Figuur1.6: grondplan vestiging Brugge

14

1.4 De producten Spicer is een bedrijf dat gespecialiseerd is in het vervaardigen van de volgende producten: - koppelomvormers (torque converters) - powershift transmissies

1.4.1 De koppelomvormer Hoewel men niet verplicht is een koppelomvormer te gebruiken in combinatie met een powershift transmissie, is het toch ondenkbaar dat men dit niet zou doen.

De koppelomvormer wordt tussen de motor en de transmissie geplaatst. De koppelomvormer bestaat uit: een pomp (impeller), een turbine en een stator (reaction member). De pomp wordt door de motor aangedreven en veroorzaakt een oliestroom. De stator zorgt voor een richtingsverandering van de oliestroom. De oliestroom drijft nu de turbine aan, die op zijn beurt met de ingangsas van de Figuur1.7: koppelomvormer transmissie verbonden is. Door de richtingsverandering in de stator wordt een koppelvergroting bekomen. Bij het toenemen van de belasting, dus bij het toenemen van de slip tussen de pomp en de turbine, krijgt men een traploze variabele koppelvergroting. De voordelen van de koppelomvormer zijn velerlei: -

Bij het wegrijden is er een extra groot startkoppel voorhanden.

-

Zwaar geladen voertuigen kunnen zonder rukken of stoten rijden bij een toenemende belasting. Door de koppelomvormer kan men tegen een helling oprijden, iets wat voor een machine zonder een koppelomvormer niet haalbaar is.

-

De uitgaande as van de motor en de ingaande as van de transmissie zijn mechanisch niet verbonden, zodat de motor beschermd wordt.

15

De koppelomvormer werkt ook als hydraulische koppeling, zodat men bij stilstaan niet steeds in neutrale stand moet schakelen. -

De machine beschikt over een grotere trekkracht, in elke versnelling bij eender welke snelheid, dan in het geval van een gewone versnellingsbak. De bestuurder moet merkelijk minder schakelen en het ogenblik waarop geschakeld wordt, is niet zo kritisch. De koppelomvormer zorgt ook voor een zachtere overgang tussen de versnellingen.

Er zijn verschillende uitvoeringsvormen van de koppelomvormers. Meestal wordt de koppelomvormer in de transmissie ingebouwd, die dan tegen de motor gemonteerd wordt. Bij plaatsgebrek kan de koppelomvormer eventueel los tussen de motor en de transmissie geplaatst worden en door middel van cardanassen verbonden worden.

1.4.2 De powershifts-transmissie Een powershift-transmissie is zogenaamd fully powered. Dit betekent dat, in tegenstelling tot een conventionele versnellingsbak, alle tandwielen in beweging zijn. Elke versnelling ook de vooruit/achteruit heeft een afzonderlijke koppeling. Door met een oliestroom elke koppeling op het gewenste ogenblik te bekrachtigen kan men een bepaalde versnelling kiezen. De uitgaande as wordt dan, via een bepaalde overbrengingsverhouding, met de ingaande as verbonden. Bij de transmissie hoort ook een valve, dit is het schakelventiel die de oliestroom naar de gewenste koppeling stuurt. Het gebruik van een powershift-transmissie bij zware machines heeft veel voordelen. -

Het is mogelijk om onder belasting te schakelen en zelfs van rijrichting te veranderen. De aandrijving van de assen valt nooit weg. Er moet niet ontkoppeld worden, wat een tijdsbesparing inhoud. Er is geen risico op het beschadigen van de tandwielen.

Ook bestaan er verschillende uitvoeringsvormen van deze transmissies, naargelang de machine waarin deze gebruikt wordt.

16

-

De inline-versie: de ingaande en de uitgaande as liggen in lijn De short-drop: de hoogte van de ingaande en uitgaande as verschillen ongeveer 15 cm, afhankelijk van het model. De intermediate-drop: er is een hoogteverschil van ongeveer 30 cm tussen de ingaande en de uitgaande as, afhankelijk van het model De long-drop: de uitgaande as ligt ongeveer 50cm lager dan de ingaande as.

Figuur1.8: Powershift-transmissies;

links onder: short-drop Rechts onder: intermediate-drop Achteraan: long-drop

17

Hoofdstuk 2: Huidige situatie en probleemstelling 2.1 Kennismaking met de montage Spicer biedt een gamma van zeven verschillende transmissies aan, elk ontworpen met hun eigen kenmerken en opties, afhankelijk van de grootte van de toepassing. De montage van deze transmissies kan opgedeeld worden in drie opeenvolgende fazen. 1. voormontage van de koppelingen 2. montage van de transmissie 3. functionele test van de transmissie Bij de voormontage van de koppelingen worden lagers, tandwielen en koppelingsplaten over de as gemonteerd op een montagetafel door een arbeider. Alle onderdelen worden op een ergonomische wijze aangebracht, zodat de arbeider geen onnodige verplaatsing hoeft te doen.

Bij de volgende montagefase worden alle koppelingen in de gietijzeren behuizing gemonteerd, samen met nog onderdelen. De belangrijkste hiervan zijn: de valve, het hydraulisch besturingscomponent, en de koppelomvormer. Dit alles gebeurt op een montagekar die in een montagelijn loopt. Figuur2.1: montage van een middelgrote transmissie

De bevoorrading gebeurt via een logistiek treintje die alle onderdelen gaat ophalen bij de eerste montagefase en klaarzet in de montagelijn.

Figuur2.2: logistiek trijntje

18

De laatste fase in de montagehal is de functionele test. De testbank staat in lijn met de montagelijn. De transmissie wordt op een vaste teststoel gezet in de testbank en wordt op druk gebracht m.b.v. transmissieolie. De transmissie doorloopt een geautomatiseerd testprogramma waarbij alle belangrijke parameters gemeten worden en terzelfder tijd vergeleken worden met de testspecificaties. 100% van de transmissies worden functioneel getest. Daarna wordt de transmissie weer olievrij gemaakt en in het W.M.S. (Warehouse Management System) ingevoerd. Deze staat in verbinding met de schildercabine en de verzendingsafdeling.

Figuur2.3: binnenzijde testbank

19

Transmissie wordt hier van zijn olie ontdaan na de test

W. M. S.

Figuur2.3:werkruimte achter de testbank

Uitgang testbank

20

2.1 Probleemstelling Alle montagelijnen moeten tegen eind 2009 verhuisd zijn naar een nieuwe montagehal. Dit in het kader van het “one piece flow” concept, die een vloeiende opeenvolging van het fabricageproces eist (= geen tussenvoorraad).

Figuur2.4: plattegrond van de TE17 montagelijn

Bij de opstart van dit groot project, werd er beslist om de montagekarren te standaardiseren. Zo kan er dynamisch worden omgesprongen met de bezetting ervan, om bijvoorbeeld lijnen die sporadisch op hogere capaciteit draaien, te kunnen voorzien van meer montagekarren. Dit project is zo goed als afgerond maar er zijn nog problemen wat betreft veiligheid en ergonomie. De montagekarren worden manueel vooruit geduwd in de montagelijn en naar de testbank zone (= de testbank zelf of de bufferzone ). Als men bedenkt dat een montagekar met een transmissie tot 1,000kg kan wegen, dan is het duidelijk dat manueel vooruitduwen een zware klus is voor de arbeider. Om veiligheidheidsen ergonomische redenen ben ik tijdens mijn stageperiode op zoek gegaan naar de mogelijkheden van een aandrijfsysteem, zodat de montagekar makkelijker te verplaatsen is.

Figuur2.5:arbeider die een kar vooruit duwt

21

Hoofdstuk 3: De ontwerp fase 3.1 Basis eisen 3.1.1 Energie Om een aandrijving te voorzien op de kar is er energie nodig . Daarom is er als eerste stap nagegaan welke energiebronnen er aanwezig zijn of kunnen voorzien worden. In de montagelijn zelf: 1. Perslucht voorziening voor de luchtmotor die de transmissie kan kantelen voor bepaalde montagestappen. 2. Elektriciteit uit het net: vast stopcontact. Mobiliteit buiten de montagelijn: 1. Perslucht in een persluchtaccu. 2. Gelijkspanning in de vorm van een batterij. 3. Kracht van een arbeider, ergonomisch en veilig. Uit deze korte analyse is er verder ingegaan op het denkpad om zo mobiel mogelijk te kunnen zijn met een kar. Dus houden we nog enkel de drie laatste bronnen over.

3.1.2 Veiligheid De arbeiders mogen de kans niet krijgen om zichzelf of andere arbeiders te bezeren door middel van of door een gevolg van dit ontwerp. Daarom is het handig om, naast een risicoanalyse op het einde van het ontwerp, ook op voorhand even in te schatten wat veilig kan uitgewerkt worden en wat niet. Een voorstel kan dus afgekeurd worden omdat er uitsteeksels of scherpe onderdelen gebruikt zijn.

22

3.1.3 Ergonomisch De arbeiders moeten kunnen en willen werken met de aandrijving. De bediening van een ontwerp mag dus niet te moeilijk of te tijdrovend zijn. Als er manuele bediening nodig is, moet er een evenwicht bepaald worden tussen kracht en snelheid van de bewegingen die moeten uitgevoerd worden.

3.2 Brainstorming De volgende stap in de ontwerpfase is dan ook het verzamelen van voorstellen en daarna één voor één de voor- en nadelen ervan opstellen. Door zo veel mogelijk rekening te houden met de bovenstaande drie eisen en op basis daarvan, ideeën te verzamelen zijn volgende voorstellen uit de bus gekomen. (Zie hieronder.) Dit is enkel een verslag van de brainstorming. Mijn eerste taak nadien was dan ook om alles uit te schetsen. De schetsen zijn in het volgende hoofdstuk toegevoegd, samen met de uiteenzetting van de evoluties in de verschillende ideeën.

Verslag: Brainstorm meeting Dana Hannes Demeulemeester

Inhoud: korte samenvatting over de bekomen voorstellen. Gezien uit 2 standpunten: enerzijds elektrisch en anderzijds mechanisch (manueel). Een derde standpunt: perslucht is afgewezen aangezien we daar niet mobiel genoeg kunnen mee zijn.

1 Elektrisch DC-motor met Batterij Principe Een rubberwiel op de grond drukken en aandrijven. Eventueel de bevestiging aan de kar scharnierend maken. Dit zou het sturen eenvoudiger maken.

23

Aandachtspunten •

Duwen of trekken? (zoals gezien bij de aankoop van ‘het trekkertje’)

•

Neerwaartse kracht: met een veer of via opkrikken van de kar?

•

Veiligheden: tweehandenbeveiliging, snelheidslimiet, noodrem, …

•

Kostprijs: batterij, DC-motor (leverancier: Leroy Somer), veiligheid.

•

Gebruiksvriendelijkheid: het concept moet makkelijker zijn dan de kar verduwen en minder tijd kosten

2 Mechanisch Manueel systeem Principe Een mechanisch systeem ontwikkelen die het voortbewegen van de kar vereenvoudigd. 2 Voorstellen 1. Mechanisch systeem met een hendel en groot tandwiel op iedere kar bevestigen. 2. Voorbeweging door middel van een hefboomsysteem. Bijvoorbeeld een rubberen voet op de grond en een scharnier op het chassis van de kar. Het tegengewicht van de hefboom zou hier dus de wrijvingskracht van de rubberen voet op de grond zijn.

Naast onze kijk op de situatie is er ook even gepolst bij enkele arbeiders. Om enkele bedenkingen op te scheppen is het soms positief om de betrokken arbeiders een kleine input te laten geven voor het ontwerp. Tenslotte zijn het de arbeiders die de aandrijving zullen bedienen. Het resultaat van enkele korte gesprekken is hieronder toegevoegd.

24

Verslag: input arbeiders 02/02 Gesprek met arbeiders uit de 36000 lijn. De input: 1. Een extra rail en trekkabel naar de testbank. 2. Enkel de besturing van de kar vereenvoudigen zou transporteren ook al vergemakkelijken. 3. Een persluchtmotor door middel van een drukvat die gevuld moet worden. Er kan gesteld worden dat deze voorstellen gebruik maken van de beschikbare energiebronnen. Toch zal achteraf blijken dat er met geen enkel van deze voorstellen verder gewerkt kan worden.

25

3.3 Marktonderzoek 3.3.1 Movexx Er werd al eerder naar oplossingen gezocht voor de aandrijving. Deze volgende offerte gaat over een trekker die niet vast op de kar zou staan.

OFFERTE Technische gegevens MOVEXX T1000 Aandrijving: Trekkracht: Rijregeling: Batterij: Lader: Banden: Gewicht: Frame: Standaard: Opties:

DC motor 24V, 300W 1000 kg Vrij programmeerbaar wbt. snelheid en acceleratie Afneembaar; 24 Volt / 18 Ah; Gewicht 14 kg Extern Massief rond 250x85 43 kg compleet Staal, Electrolytisch verzinkt en gepoedercoat Basishaak, Accumeter, Acculader, Accu, CE-keur, Verstelbare dissel Extra Accu, Toeter, 2e Snelheid, Speciale haken, Borgmodule, enz.

MOVEXX T2500 Aandrijving: Trekkracht: Rijregeling: Batterij: Lader: Banden: Gewicht: Frame: Standaard:

DC motor 24V, 600W 2500 kg Vrij programmeerbaar wbt. snelheid en acceleratie Ingebouwd; 24 Volt / 80 Ah Ingebouwd Massief rond 250x85 150 kg compleet Staal, Electrolitisch verzinkt en gepoedercoat Basishaak, Accumeter, CE-keur, Verstelbare dissel

26

Figuur3.1:Movexx

Het gebruiksgemak staat voorop • • • • •

Het aanhaken van de koppeling vergt nauwelijks enige inspanning De Movexx T1000 weegt slechts 41,5 kg Het batterijgewicht zit praktrisch boven de aandrijfas en maakt dat de Movexx gemakkelijk kan aangehaakt worden. De Haakhoogte is traploos verstelbaar, waardoor de Movexx aan bijna elk type container of ander rollend object kan gekoppeld worden. Acceleratie – remweg – snelheid voor- en achteruit en trekkracht kan traploos geregeld worden, door middel van een modem waarmee dit alles aanpasbaar is volgens persoonlijke wensen en behoeften

Makkelijk wendbaar en te vervoeren •

• • • •

Het aanhaken van een dwars geplaatst rollend object op een plek waar weinig ruimte is, is geen enkel probleem Als optie is de dissel inklapbaar waardoor de Movexx vrij plat wordt, en in een kist kan en onder de vrachtwagen kan meegenomen worden. Ook eenvoudig op te bergen in een kast. De batterij is afneembaar (Movexx T1000) en maakt het mogelijk te werken met een wisselbatterij Opladen van de batterij kan door middel van handige lader Opladen van de batterij kan ook door middel van de 24V installatie van de vrachtwagen

Gemotiveerde medewerkers en meer productiviteit •

• • PRIJS :

Met Movexx is het verplaatsen van rolcontainers of andere rollende objecten zeer eenvoudig, ongeacht het gewicht, van 500 kg, 1000 kg of zelfs tot 2500 kg Rug en armen van het personeel worden gespaard Een betere productiviteit door meer motivatie en meer plezier in het werk

Movexx T1000 - elektrische trekhulp tot 1000 kg Inclusief basismodule, haak, accu, lader

3.680,00 €

Movexx T2500 – elektrische trekhulp tot 2500 kg Inclusief basismodule, haak, accu, lader Eventueel meerkost te bespreken in geval van speciale haak

5.800,00 €

27

Het voordeel is dat er maar één trekker gekocht moet worden per aantal karren. Een tweede voordeel is dat het koppel perfect regelbaar is, want bij een lichtere transmissie is een kleiner koppel nodig dan bij een zwaardere. Anders glijden de rubberen banden door en wordt de werkplaats vuil door de bandensporen. De keerzijde van dit laatste voordeel is dat het in de praktijk niet zo eenvoudig is om het juiste koppel te vinden. Nadeel is de kostprijs en het feit dat de trekker eerst moet gekoppeld worden is tijdrovend. Een arbeider zou misschien nog liever de kar duwen dan eerst de trekker te halen en vast te koppelen voor de kar kan verplaatst worden. Deze voordelen en nadelen zijn gebleken uit een testkoop.

Verder ben ik op tractiesystemen.

het

internet

op

zoek

gegaan

naar

volledige

3.3.2 Variodrive Variodrive.nl biedt een heel gamma van tractiesystemen. Echter moet er dan wel de juiste plaats voorzien worden in het frame van het ontwerp. In het huidig project is dat niet het geval aangezien het frame reeds bestaand is en de bedoeling is het niet te bewerken.

Figuur3.2: voorbeelden van Variodrive producten

28

Hoofdstuk 4: De voorstellen Er zijn drie grote groepen voorstellen uit de brainstorming voortgekomen namelijk: 1. aandrijving door middel van een elektromotor 2. aandrijving door middel van een overbrenging 3. aandrijving met behulp van een hefboom. In deze drie groepen zullen er onderverdelingen worden teruggevonden met gelijkaardige principes. Bij ieder voorstel was in de eerste plaats het maximum gewicht van een kar nodig. Omdat dit de basis is van de berekeningen rond de aandrijving heb ik dan ook eerst het maximum gewicht bepaald die een geladen kar kan hebben. In de bijlage zitten de productgegevens die mij daarbij hebben geholpen. Verder heb ik enkele karren zelf gewogen en nadien de zwaarste uitgepikt. Waaruit volgde dat de zwaarste kar 284kg weegt en de zwaarste transmissie 850kg. Er mag dus gerekend worden dat het aan te drijven gewicht 1164kg is.

4.1 Voorstel 1: elektromotor Een tractiemotortje dat gevoed wordt door een tractie batterij en gestuurd wordt door een simpel relais waarmee twee draaizinnen (vooruit en achteruit) kunnen bediend worden. Er wordt door middel van een reductie voor een gepaste maximumsnelheid (2km/h) gezorgd alsook voor een groot genoeg koppel om te kunnen aanzetten en te versnellen tot de maximumsnelheid.

Figuur 4.1: tractiemotor

Uit andere gegevens van de motor en van de batterij die geselecteerd werd, kan bepaald worden hoelang een batterij- laadbeurt meegaat. Op volgende pagina: de offerte van ‘Hoppecke-belgium’ voor de aanvraag van een geschikte batterij en een bijhorende lader. 29

De offerte van de motor van ‘Variodrive’ is nooit gearriveerd.

30

Als we weten dan de tractiemotor 17A trekt, kunnen we volgende berekening maken in verband met de standtijd van de batterij. Berekening Batterij gegeven : de afstand die de kar moet afleggen in 1 cyclus lmontagelijn := 25.45 ltestbank := 3

m

m

lcyclus := ( lmontagelijn + ltestbank ) ⋅ 2 = 56.9

m

de tijd per cyclus Vmax:= 33.33 t :=

m /min lcyclus

= 1.707

Vmax

min.

het aantal cyclusen per dag aan de hand van gegevens uit archief karren := 5 standtijd := 3.54 uur aantalarbeiders := 6 standtijd

= 0.59

aantalarbeiders dagploeg := 7.8 uren / dag dagploeg

producten / dag = 13.22 0.59 kies : producten := 13 deze standtijd is een gemiddelde aantal :=

producten karren

= 2.6

cyclusen / kar / dag

werktijd per kar en per dag werktijd := aantal ⋅ t = 4.439

minuten per kar per dag werkingstijd

hoelang zal een batterij meegaan pbatterij := 50

AH

pmotor := 17

A

ontlaadtijd :=

pbatterij pmotor

werkingstijd :=

= 2.941

ontlaadtijd ⋅ 60 werktijd

uur

= 39.758

dagen

de kleinste batterij van hoppecke gaat ongeveer 1 werkmaand mee met overschot

31

Voor de besturing zijn de componenten bepaald aan de hand van deze zelf ontworpen logische schakeling. Stuurkring:

Opmerking: de ‘Start L’ en ‘Start R’ zijn één en de zelfde schakelaar. De mechaniek van de schakelaar voorkomt dus dat L en R op hetzelfde ogenblik kunnen ingedrukt worden. Vermogenkring:

Alle componenten werden opgezocht en samengesteld met inbouw componenten. Samen met het montagewerk komt deze eenvoudige besturing op een prijs van 80 euro. Zonder korting op bestelling van groot aantal.

32

De aandrijving zelf gebeurde in eerste instantie via een rubber die op de grond gedrukt zou worden om genoeg wrijving te kunnen voorzien. Aangezien de afspraak was dat er geen bewerkingen aan het frame van de kar werden uitgevoerd, moest er een apart soort van frame ontworpen worden die achteraan de kar bevestigd moest worden. Dit heeft als nadeel een hogere kostprijs. Een ander nadeel van dit systeem was dat het druksysteem complexer bleek te zijn dan eerst gedacht. De druk die op het wiel uitgeoefend moet worden is namelijk niet constant, de oorzaak hiervan is dat het gewicht van de kar zo’n 800kg kan verschillen, met als gevolg dat bij een lege kar de achterwielen zouden opgeheven worden.

Een wrijvingswiel dat wrijft op het linker achterwiel van de kar was de eerste verbetering. Hier zou een spansysteem moeten voorzien worden om de nodige wrijving in de wrijvingswielen te bekomen.

Figuur4.2: opspansysteem

Tijdens de laatste evolutie was de aandrijving voorzien via een velg met een tandwiel op het uiteinde bevestigd in de binnenzijde van het linker achterwiel. De bevestiging werd gerealiseerd door een bout en moer verbinding (sterkteberekening voor de bout en moer verbinding zie hieronder). Hieronder volgen de gegevens rond de selectie van de tandwielen. Ze werden standaard gekozen.

Uitbreiding Een eventuele uitbreiding van dit aandrijfsysteem zou ook een motor aan het rechter achterwiel kunnen voorzien. Zo zou het sturen van de kar vereenvoudigd kunnen worden. Maar dan zal er ook plaats moeten voorzien worden voor een tweede batterij als de aandrijving even lang moet blijven werken als bij 1 motor.

33

Voor– en nadelen van dit systeem: Voordelen: -

Met de kleinste batterij van fabrikant Hoppecke zal het systeem ongeveer 39 werkdagen meegaan zonder opgeladen te moeten worden.

-

Al de elementen van dit aandrijfsysteem staan op het onderste profiel van de kar en komen max 30 cm hoog. Dus zal er nooit iets in de weg zitten of uitsteken. Omdat dit project uitsluitend een investering in de veiligheid en de ergonomie is, is het ook gewenst dat ze geen ongevallen kan veroorzaken door bvb.: Uitstekende elementen waarover men zou kunnen struikelen.

-

Het zwaartepunt van de geladen kar ligt ongeveer in het midden. Het aandrijven op enkel het linker achterwiel zal dus een kleine verdraaiing veroorzaken. Deze is dan ook gunstig bij het uiteinde van de lijn waar we rechts rond een steunpilaar moeten.

-

Twee draaizinnen van de motor. Er kan dus in twee richtingen worden aangedreven. De ene draairichting kan als rem dienen voor de andere.

Nadelen: -

Dit voorstel is duidelijk een ‘luxe’ oplossing voor aandrijfprobleem. Met hoge investeringskosten als gevolg.

het

-

Eén keer om de werkmaand moeten al de karren opgeladen worden.

-

Het wrijvingswiel is niet standaard en moeilijk te maken.

Samenvatting van de kosten elektromotor onderdeel: tractiemotor batterij lader sturing draaiwerk montage totaal

prijs: [€] 1500 173,63 272 80 400 (schatting) 250 (schatting) 2675,63 euro

34

4.2 Voorstel 2: mechanische handaandrijving door middel van hendel en kettingoverbrenging Als eerste voorstel was er een riemoverbrenging. Deze zou een wiel aandrijven, die op zijn beurt op de grond gedrukt werd door middel van een veersysteem zoals bij de motor. Maar met het verschil dat na de reductie nog een riemoverbrenging kwam die de last nog eens reduceerde en ze naar een bovenliggende as bracht, die op de gepaste hoogte zou gemonteerd worden voor handaandrijving. De voordelen hiervan waren dus ook gelijkaardig aan deze van het eerste voorstel bij elektromotor: -

Vooruit aan de hendel draaien is vooruit rijden zijn.

-

Er kan gemakkelijk achteruit gereden worden.

Nadelen: -

veersysteem moeilijk te maken omdat de kar van 280kg naar 1100kg varieert naar het einde van de lijn.

-

Bij vuile vloer zal het wiel onvoldoende grip hebben en doorglijden en wordt er misschien wel geen gebruik gemaakt van de aandrijving.

Wiel

Frame

Riem

Rubber wiel

Figuur4.3: eerste aandrijfprincipe

35

Schets van het achteraanzicht.

Halfgekruiste riemoverbrenging

Frame. (zonder wielen)

Druksysteem

Figuur4.4:eerste aandrijfprincipe deel2

36

De tweede evolutie is ook gelijkaardig aan die van de elektromotor. Maar bijkomstig is dat de riemoverbrenging in een kettingoverbrenging is geëvolueerd. De reden hiervoor was dat een halfgekruiste riem een minder lange standtijd heeft en als de constructie moet aangepast worden naar een rechte as opstelling. Er kan dan evengoed met kettingen gewerkt worden, want kettingen zijn beter geschikt voor trage snelheden. De reden dat dit voorstel ook is afgelast, is dat er geen geschikte rubberen wielen op de markt beschikbaar zijn. Dit is een unieke toepassing en dus zijn er geen standaard elementen voor te vinden. Hier is ook het spansysteem geïmplementeerd. Het probleem hier is dat de nodige spanning op de kettingoverbrenging niet dezelfde is als deze nodig in de wrijvingswielen.

Voorziening voor een standaard hendel.

Spansysteem. Zijaanzicht zie elektromotor.

Figuur4.5: tweede aandrijfprincipe

37

Na een tijd werd er dan een oplossing gevonden om met tandwielen te gaan werken alweer ongeveer gelijklopend met de evolutie in de elektromotor. We monteren een draaistuk in het wiel dat voorzien is van een buisachtig gedeelte met dikke wand en een boring groot genoeg om rond het onderste frame te kunnen roteren. Op die buis monteren we het gedreven tandwiel (spieverbinding). Het drijvende tandwiel zit op een as waar ook het gedreven kettingwiel op zit.

Bovenliggende deel is hetzelfde gebleven als op de vorige schets.

Tandwieloverbrenging Figuur4.5: laatste evolutie in aandrijfprincipe

38

Het drijvende kettingwiel is op gepaste hoogte gemonteerd met behulp van een lasconstructie. Er zou normaal gezien zou ook een spanwiel op deze lasconstructie gemonteerd kunnen worden om de juiste spanning in de ketting te behouden. Hier volgen enkele berekeningen in verband met de overbrenging en de keuze van de ketting.

max gewicht van de kar: m := 1164 kg g := 9.81

a := 0.5

m / s²

versnelling die ik aanneem

kg / s²

wijvingscoëficient van tiflon op gepolijste beton. µf noemt men de coëfficient van de rollende wrijving en is de verhouding van de hefboom van de rollende wrijving en de straal van het wiel µf := 0.015 ( onbenoemt ) trekkracht: de kracht die nodig is om de kar in beweging te zetten Ft := m⋅ g ⋅ µf = 171.283

N

Versnellingskracht: de kracht die nodig is om met de kar tot een bepaalde snelheid op te trekken Fa := a⋅ m = 582

N

totaale kracht: de trek kracht + de versnellingskracht Ftotaal := Ft + Fa = 753.283

N

Aanzetmoment : het koppel van krachten die in totaal nodig is op de wielen om de kar in beweging te zetten Rwiel := 0.125 m M0 := Ftotaal ⋅ Rwiel = 94.16

Nm

Reductie : wrijvingswiel of tandwielkrans :

Red :=

1 5

Mas := Red⋅ M0 = 18.832 Nm

het aanzetmoment op de aan te drijven as.

hierna volgen de berekeningen voor het bepalen van de kettingoverbrenging

39

gegevens ketting overbrenging z1 := 25 z2 := 25

z2

a0 := 390

z1

( mm)

=1

p := 8 aantal schakels van de ketting:

X0 := 2⋅

a0

+

p

z1 + z2 2

2

+

 z2 − z1  ⋅ p = 122.5    2⋅ π  a0 X := 124

(we nemen 111 schakels)

Berekenen de nieuwe asafstand:

a :=



⋅  X −

p

z1 + z2 



4

2

 

+

2 2  X − z1 + z2  − 2⋅  z2 − z1   = 396     2    π 

mm

keuze van de ketting

P2 := Mas ⋅ η := 0.98 P1 :=

P2 η

Ka := 2

2π 100 60

= 44.842

= 45.757

W

f4 := 1 W

bedrijfsfactror

f1 := 0.7 factor rekeninghoudend met het aantal tanden a p

= 49.5

Pd :=

f3 := 1

f2 := 1.05 verhouding afstand / steek

1

f5 := 

15000

3

 =1  15000

f6 := 0.9

Ka⋅ P1⋅ f1 f2⋅ f3⋅ f4⋅ f5⋅ f6

Pd = 67.788 W Rollenketting Nr. 06B Dit resultaat is afgeleid uit de vermogensgrafiek voor rolkettingen in roloff / matek tabellenboek.

De enkelvoudige ketting Nr 06B heb ik bij verdeler ‘Maxtop’ gevonden. De leverancier van de kettingen is ‘Baudoin’ en de prijs ervan is 14.5 euro per meter.

40

Op deze laatste as is een hendel voorzien om met de hand de kar aan te drijven. Deze laatste is standaard gekozen mede omdat er standaard hendels bestaan met een veiligheidsysteem. Mits de juiste voorzieningen op de as is dit een heel veilig systeem. Het is namelijk zo dat de hendel enkel gekoppeld is aan de as, wanneer een kleine drukkracht wordt uitgeoefend in de richting van de as. Zodra er losgelaten wordt, is de hendel ontkoppeld.

Figuur4.6:safety hendel

Voor –en nadelen van dit systeem: Voordelen: -

Niet veel kracht nodig om te kunnen vooruit gaan, maar hoe makkelijker het draaien, hoe beperkter de snelheid in totaal zal zijn.

-

Goedkope oplossing, mits we de assen eenvoudig kunnen houden.

Nadelen: -

Door de tandwielen moet men achteruit draaien om vooruit te bewegen.

-

Het afschermen van de kettingwielen en tandwielen zal omvangrijk zijn vanwege de grote inbouwruimte.

-

Niet onderhoudsvrij, hoe eenvoudig de kettingoverbrenging ook is.

41

-

Een goede uitlijning van de assen is noodzakelijk voor de standtijd van de ketting en kettingwielen, en zal de kostprijs verhogen.

Samenvatting kostprijs Ketting onderdeel: draaiwerk laswerk kettingoverbrenging

prijs: [€] 400 (schatting) 250 (schatting) ketting wiel 25T wiel 25T klembus

tandwielen + freeswerk hendel montage totaal

14,5 8,29 8,29 5,45 150 (schatting) 30 50 (schatting) 916,5

42

4.3 Voorstel 3: mechanische aandrijving door middel van een hefboom Er zijn twee soorten aandrijvingen met hefboom uitgedacht en kort uitgewerkt.

4.3.1 hefboom en wrijvingsvoet op de grond De hefboom duwt een rubberen voet op de grond. Er is een systeem ontwikkeld waarbij de voet enkel wrijving op de grond veroorzaakt bij het vooruit bewegen van de hefboom. Hier zijn er ook twee voorstellen. Het eerste ook weer een verbetering van het tweede. Vooral om de complexiteit van sommige aparte stukken te verlagen en daardoor kosten te sparen.

Figuur4.7: wrijvingsvoet op de grond

43

Voor –en nadelen van dit systeem: Voordeel: -

Heel goedkope oplossing, er moet enkel een hefboom, een bevestiging aan het frame en de wrijvingsvoet met veren ontworpen worden. De scharnierende bevestigingen kunnen via scharnierende klinkverbindingen vervaardigd worden.

-

Niet veel montagewerk.

Nadelen: -

Er kan niet achteruit gereden worden met de kar

-

De synthetische olie die mogelijks op de vloer ligt, kan het rubber onherstelbaar beschadigen.

4.3.2 hefboom is een ringratelseutel Er wordt een flens in het wiel aangebracht aan de buitenkant. Daarop wordt een tap as gelast. Op de tap wordt een moer met uitgeboorde schroefdraad geplaatst via een losse passing. Daarop past de ringratelsleutel. Dit is een speciale soort ratelsleutel in de vorm van een ring. Er is dus maar één sleutelwijdte per ringratelsleutel, in tegenstelling tot normale ratelsleutels, waarvoor je meestal verschillende doppen hebt. De armlengte van de hefboom wordt voorzien door Figuur4.8: ringratelsleutel een stuk buis op de sleutel te lassen. Om zo op een gepaste hoogte te komen voor de bediening. Samen met de moer en de sleutel wordt er ook een combinatie van schotelveren op de tap gestoken. Tot slot wordt het geheel aangespannen tot een bepaalde lengte met een kraagmoer. Dit mechanisme zal ervoor zorgen dat er geen te grote momenten op de ringratel komen. De kar zal ook niet met te grote schokken kunnen aangedreven worden.

Voor –en nadelen van dit systeem: Voordeel: -

Er kan vooruit en achteruit aangedreven worden door middel van de omkeringschakelaar op de ratelsleutel.

44

-

Geen ongemakken door een vuile werkvloer

-

Onderhoudsvrij

-

Men is niet verplicht om de hefboom te gebruiken. Het kan best zijn dat de aandrijving niet gebruikt als de karren leeg zijn, dan is er minder risico en het gaat sneller.

Nadelen: -

De aandrijving is kort (30° van de hefboom is 6.5 cm vooruit), maar de kar moet ook nog bestuurd worden.

-

Hefboom kan in de weg zitten voor bepaalde handelingen tijdens het monteren. Een gepaste combinatie tussen ergonomie, een gepaste hoogte zodat de arbeider gemakkelijk de hefboom kan grijpen, en productie, niet in de weg zitten van de hefboom tijdens montagewerk, is een noodzaak.

Figuur4.9: schets van het aandrijfsysteem

45

Hoofdstuk 5: De uitwerking van de hefboom Het concept die uiteindelijk gekozen werd om een prototype van te maken is de hefboom met de ringratelsleutel. In het volgende deel zal de uitwerking van het ontwerp tot in detail benaderd worden.

5.1 De overbrengingen Een hefboom is een mechanisch systeem die via een arm met een scharnierend punt een arbeid kan verlichten of verzwaren. In het geval van de aandrijving is de last gelegen in het scharnierpunt in de vorm van een moment. Om te berekenen welke kracht er nodig is om het moment te bereiken is de lengte van de arm van belang. Hoe langer de arm, hoe kleiner de kracht die nodig is om het moment te bereiken. Hieronder: de berekening voor de kracht aan het uiteinde van de hefboom met 80 cm armlengte. max gewicht van de kar: m := 1164 kg g := 9.81

a := 0.5 m / s²

kg / s²

wijvingscoëficient van tiflon op gepolijste beton. µf noemt men de coëfficient van de rollende wrijving en is de verhouding van de hefboom van de rollende wrijving en de straal van het wiel µf := 0.015 ( onbenoemt ) trek kracht: de kracht die nodig is om de kar in beweging te zetten Ft := m⋅ g ⋅ µf = 171.283

N

Versnellingskracht: de kracht die nodig is om met de kar tot een bepaalde snelheid op te trekken Fa := a⋅ m = 582

N

totale kracht: de trek kracht + de versnellingskracht Ftotaal := Ft + Fa = 753.283

N

Aanzetmoment : het koppel van krachten die in totaal nodig is op de wielen om de kar in beweging te zetten Rwiel := 0.125 m M0 := Ftotaal ⋅ Rwiel = 94.16 Reductie : Hefboom := 0.8

Nm

m

Kracht op uiteinde van de hefboom: F :=

M0 Hefboom

= 117.7

N

46

Uit vorige berekening volgt dat de bediener van de hefboom maximum 117.7 N duwkracht zal moeten kunnen uitvoeren op de hefboom. In de bijlage volgt de sterkteberekening op de hefboom. Zo komen we aan de maximale doorbuiging die zal optreden in de hefboom.

Maar de arm moet een geschikte lengte hebben zodat de bediener ervan geen hinder ondervindt door het bijvoorbeeld het in de weg zitten van de arm tijdens een montagestap. Buiten deze praktische eisen heeft de positie en lengte van de arm ook eisen op ergonomisch en veiligheidvlak. Namelijk: •

Gepaste lengte. Zodat de bediener zich niet moet bukken of niet te hoog moet grijpen.

•

Zo weinig mogelijk verbreden van de kar. Zodat de bediener er niet aan hapert of erover struikelt.

5.2 De ringratelsleutel Zoals eerder gezegd wordt het scharnierpunt verzekerd door een ringratelsleutel. Er werd sleutelwijdte 24 gekozen voor de maat van de sleutel. Uit voorzorg voor de diameter van de as waar alle koppels doormoeten en alles op steunt. Hoe groter de sleutel, hoe sterker hij is.

Figuur5.1: ringratelsleutel Facom

De binnenkant van de ratel ziet eruit als een inwendig vertande ring waarin kogeltjes lopen. Deze kogeltjes zorgen ervoor dat er in 1 draaizin geklemd wordt en in de andere draaizin niet. De vaste en de losse draaizin kunnen door middel van de omkeringschakelaar verwisseld worden, zodat men de sleutel niet moet omdraaien bij het lossen of spannen van een bout of moer.

47

5.3 De slipkoppeling De ringratelsleutel is zo ontworpen dat men hem normaal gezien niet manueel kan breken, als er naar behoren mee gewerkt wordt. Dus levert men voor iedere sleutelwijdte een bepaalde lengte. Er zijn wel een serie extra korte sleutels op de markt, maar geen extra lange. Bijgevolg moet er een stuk buis op het ongebruikte uiteinde van de sleutel gelast worden, zodat de juiste lengte van de hefboomarm bereikt kan worden. Het is logisch dat deze handeling een voorbeeld is van de sleutel niet naar behoren te gebruiken. Om te vermijden dat bijgevolg de sleutel manueel zou kunnen stukgetrokken worden, werd er een soort slipkoppeling ontworpen in het scharnierpunt van het hefboomsysteem. Een moer zonder schroefdraad zit door middel van schotelveren opgespannen tussen de vaste delen van de koppeling aan het wiel. De juiste spanning op de schotelveren is gelijk aan het juiste maximum koppel die overgebracht kan worden. Dit maximumkoppel is iets groter dan het aanzetkoppel nodig om de kar in beweging te brengen, en is kleiner dan het toelaatbaar koppel voor de sterkte van de sleutel.

48

De schotelveren We stellen dat het maximale moment op de wielen 94 Nm is Dit is de 21.4Nm plus de versnelling. gegevens : staal op staal :

µ0 := 0.15

werkingsstraal: Fa :=

94

4

µ0⋅ rm

Fa1 :=

Fa 2

rm := 0.0355 m

= 1.765 × 10 3

= 8.826 × 10

N

N = Fa2

kracht nodig aan weerszijden

opstelling is parrallel Keuze

35.5 mm met 18.3 binnen diameter op f = 0.75h dan is p = 536 kgs

losse toestand f = h h := 0.8 afstand1 := 1.75mm

=s

afstand1 ⋅ 4 + ( 0.75 + h ) = 8.55mm

4 schotelveren in serie + h

opgespannen toestand h := 0.8 s := 2

f := 0.25⋅ h = 0.2

mm afstand2 := f + s = 2.2 mm afstand2 ⋅ 4 = 8.8 benodigde lengte van het boutachtig stuk moer met sleutelwijdte 24l := 15 mm lengte van de schotelveren:

afstand2 = 2.2

mm

afstand1 = 1.75 mm

boutlengte1 := l + ( 4⋅ afstand1 ) = 22

boutlengte2 := l + ( 4⋅ afstand2 ) = 23.8

mm

mm

inbouwruimte in het velgstuk voorziet nog een kraag van 10 mm dus de eindlengte is 33 mm de 0.8mm wordt afgehouden om wat speelruimte te voorzien.

49

De voorgaande berekening is gebaseerd op volgende tabel.

Figuur5.2: tabel voor schotelveren

50

5.4 De vaste koppeling aan het wiel Het koppel moet uiteindelijk via de slipkoppeling nog naar het wiel zelf overgebracht worden. Deze overbrenging gaat via een vaste koppeling tussen de slipkoppeling en het wiel. Er werd hiervoor een soort velg ontworpen, die met bouten in het wiel gemonteerd wordt. Het bestaat uit een schijf, een deel die in het wiel gemonteerd wordt, en een zelf ontworpen bout met een lange kraag die de basis is van de slipkoppeling. Deze twee onderdelen worden verbonden door middel van een las. Om de sterkte van de boutverbinding te verzekeren is volgende berekening noodzakelijk. 8.8 bouten van diameter M6 beschikbaar. boorcirkel in het wiel = 175 mm we nemen voor het maximum moment aan het wiel = zijdelingse kracht op de bouten : l :=

Mmax := 94 Nm

0.175

= 0.088 m 2 Mmax 3 F := = 1.074 × 10 l

N

verdeeld over vier boringen: D :=

F

N = 268.571 4 de toelaatbare schuifspanning voor 8.8 en de doorsnedeoppervlakte voor M6: ta = 135 N / mm² As := 20.1 mm² spanning : τa :=

D As

= 13.362 N / mm²

veiligheid van 1.5 Ra := τa ⋅ 1.5 = 20.043 N / mm² Besluit : er mag gerust met een sterkteklasse van 5.6 gewerkt worden. Maar het is te zien van welke soort er het meest in stock zijn.

51

5.5 De afscherming Het ontwerp van een afscherming is een eis voor de veiligheid. In het ontwerp van de afscherming is een gleuf uitgesneden waarin de hefboomarm loopt. De gleuf zal de werkingshoek van de hefboomarm beperken tot ongeveer 30°. Deze 30° werd bepaald doordat het verschil tussen een geplooide arm en een gestrekte arm van een arbeider op 80 cm van het scharnierpunt ongeveer 40 cm is.

Figuur5.3:schets voor berekeningen rond de hefboom

Aan de hand van deze Autocad schets kunnen direct de afmetingen van de gleuf bepaald worden, als er gegeven is dat de afscherming op 13.6cm boven het scharnierpunt komt. De driehoeksmeetkunde bevestigt de Autocad want 7.2 = ( tan(15°) 13.6) 2

52

5.6 Risico veiligheid Als laatste stap bij het ontwerpen van dit soort projecten is het altijd aangewezen eens de mogelijke risico’s te overlopen. Als er te veel risico’s zijn, zal het ontwerp herzien moeten worden. Op de volgende pagina is een standaard risicoanalyse ingevuld op de toepassing. Het gaat over het haperen, blijven hangen of zelfs struikelen over de hefboomarm.

53

RISICO ANALYSE Arbeidsmiddel: montagekar Machinenr.: Plaats: Montageafdeling

Type: Serienr. en Bj : Merk:

Risico: Haperen of struikelen over de hefboom.

Datum: 29/04/09 Analist: Hannes Demeulemeester Functie: stagair

Waarschijnlijkheid dat er gevolgen zich voordoen F1 WAARSCHIJNLIJKHEID

10

van tijd tot tijd te verwachten (GROOT)

6

Ernst van de gevolgen

Risico

E GEVOLGEN

R EVALUATIE

F2 BLOOTSTELLING

0,5

zeer zeldzaam (max. 1x/jaar)

vele dodelijke slachtoffers

best mogelijk kan gebeuren (50/50)

1

zeldzaam (max. 2x/jaar)

meerdere dodelijke slachtoffers

3

ongewoon maar mogelijk (onwaarschijnlijk)

2

ongewoon (maandelijks)

dodelijk slachtoffer

1

geringe mogelijkheid (klein)

3

occasioneel (wekelijks)

ernstige kwetsuur blijvend letsel

6

regelmatig (dagelijks)

arbeidsongeschiktheid

3

matig

10

voortdurend

eerste hulp

1

licht

100

katastrofaal

500 zeer hoog risico 400

40

rampzalig 300 hoog risico

15

zeer ernstig

200

100 wezenlijk risico 7

ernstig 70

0,5

denkbaar maar zeer onwaarschijnlijk (nihil)

50 mogelijk risico

20 0,2

Praktisch onmogelijk

aanvaardbaar risico

R = F1 x F2 x E Voorstel om risico te verminderen: geen Uit te voeren acties: .Streefdatum: ..

............. Verantwoordelijke:..................

UITGEVOERD : Ja

Copieverdeling:

Neen Gezien: De Directie

Diensthoofd Veiligheid / Comité Preventie en Bescherming

54

Hoofdstuk 6: De realisatie 6.1 Het draaiwerk In de toolroom afdeling staan er onder andere manuele draaibanken, waarmee geregeld prototype stukken voor projecten gemaakt worden. Ook mijn prototype is daar afgewerkt. Om het prototype zo primitief mogelijk te houden is het ontwerp tot de basis herleid. Deze basis is het volledig ontwerp ontdaan de afscherming. Deze zal achteraf gemaakt worden als er bewezen is dat het systeem werkt. Dus enkel de slipkoppeling en de vaste koppeling.

De twee in elkaar gelaste draaistukken.

De ringratelsleutel

1 van de 4 schotelveren

Figuur 6.1: foto tijdens de montage van het prototype

55

6.2 De montage In de praktijk bestaat het erin de schotelveren genoeg op te spannen zodat het kar kan aangedreven worden. Het stuk die de juiste afstand moet voorzien voor de schotelveren is namelijk 0.8 mm te klein afgedraaid zodat we nog wat speling hebben. Deze speling kan dan gebruikt worden om bvb met een vol geladen kar toch iets bergop te kunnen rijden. De montagehal is slechts bij benadering perfect vlak.

6.3 Resultaat prototype Na de montage van het prototype konden volgende conclusies vastgesteld worden: 1. Het systeem werkt. De kar kan worden aangedreven, zelfs als deze geladen is met de zwaarste mogelijke transmissie. 2. Het zwaartepunt van de kar ligt meer naar achteren dan eerst voorspelt. Hierdoor heeft de kar de nijging om te beginnen draaien.

Figuur 6.2: functionele test van het prototype

56

6.4 Kosten berekening Er werd een werkorder gemaakt door de werkvoorbereiding waarin de arbeider zijn werkuren op kan invullen. Aan de hand van de werkorders kunnen de manuren verrekend worden in de kostprijs. Werkorder: Werkorder nummer :

194144

Status: A

Itemnr.: AS0TRACTIE00 ANDERE Aantal items: 1 Aandrijving voor montagekar. Item code: Lotnummer: 0 Operatie: Machine nummer: Referentie code:

-

Machinenaam

Voor

:

Project nummer: 010 Gen Use Formaat tekening: O Categorie WO : AB Nieuw overig gereed. Reden: 0 Veiligheid Ten laste van : Datum aanvraag: 26/02/09 Aanvrager: JPG Datum gewenst : 26/03/09 Uren werk: 6,80 Machine stilstand:

,00

Comment: Aandrijving voor montagekar tekenen en maken Één werkuur in de toolroom kost 36euro. Bijgevolg kost het prototype 244.8euro aan man en machine. De materiaalkost is afgeleid uit de leveringsbon waar er een waarde per meter wordt gegeven. Uit het archief geknipt: Partnummer N22-030000-00R Partkode

Laagste niveau 00 Maanden bewogen 28

Soort Modeltypes Comm.kode 071100 Spec.comm.ruw 100 Materiaal kost 6,6011 Dit is het materiaal voor het draaistuk waar de ringratelseutel op moet komen. De lengte ervan is 70 mm. Bijgevolg kost het kleiner stuk 0.46cent.

57

De grotere schijf heeft de volgende materiaalkost RPGPARA

Aanpassen Partfile - Algemeen

Partnummer 0D2-260000-00R Partkode

4/05/09 14:40:36

Laagste niveau 00 Maanden bewogen 13

Leveranciernummer R092 Lev. naam THYSSEN BELGE=THYSSEN STAHL AG SOC.ETR Materiaal kost 366,5700 Labor kost Het stuk is ook 70 mm lang dus het kost bijgevolg 25.65 euro De montage deed ik zelf dus was deze gratis. Ik was er ongeveer een half uur mee bezig dus schat ik dat het 18euro man/uur zou kosten. Samenvatting kosten: hefboom onderdeel: draaiwerk materiaalkost montage lastwerk sleutel moeren en schotelveren totaal

prijs: [€] 244,8 klein stuk 0,46 groot stuk 25,65 18 25,72 314,6

58

Algemeen besluit Bij het ontwerpen en uitwerken van dit soort systemen komt er heel wat technisch denkwerk aan te pas. Men is bij elk project bezig met het uitvinden van nieuwe mechanische handigheden. Het is ook heel belangrijk om eerst te brainstormen, om zo veel mogelijk verschillende denkpistes te verkrijgen. Het is duidelijk dat het systeem met de ringratelsleutel de beste combinatie biedt tussen efficiëntie en kost. In zake veiligheid en ergonomie kan er gesteld worden dat het probleem met het duwen van de zware kar van de baan is. Echter is er nog een klein aspect aan dit systeem die de ergonomie naar beneden trekt. Namelijk het omkeringschakelaartje onderaan de sleutel. Deze is laag bij de grond zodat de arbeider zich telkens moeten bukken om het schakelaartje te kunnen bedienen. De oplossing voor dit probleem is simpelweg er voor zorgen dat de schakelaar ook bovenaan de hefboom bediend kan worden. Een ander probleem is dat de aandrijving een sterkere verdraaiing veroorzaakt dan eerst ingeschat. Maar doordat het systeem danig kostenbesparend is, zou er misschien toch een geleidingsrail voorzien kunnen worden, zoals bijvoorbeeld in de montagelijnen waar de rechte lijn naar de testbank belemmerd wordt door een steunpijler van het gebouw. Naar kwaliteit toe is de aandrijving met de hefboom matig. Het systeem is uiteindelijk heel handig en efficiënt. Er is geen nood aan een lange handleiding, omdat het vrij eenvoudig en vanzelfsprekend is. De kostprijs is ook beperkt, dus prijs/kwaliteit is dit systeem zeker aanvaardbaar.

59

Literatuurlijst Spicer Off-Highway Products Division. Geraadpleegd op 4 mei 2009, op http://www.dana.be/brugge/Companyinfo/

Tractie motoren. Geraadpleegd op 4 mei 2009, op http://www.variodrive.nl/Producten/Tractie/Tractiemotoren/page.aspx/23

Norelem cataloog. Geraadpleegd op http://www.norelem.de/cms/wm?catId=1956

Gereedschap. Geraadpleegd op http://www.klemfit.nl/gereedschap.htm

4

4

mei

mei

2009,

2009,

op

op

Facom elektronische cataloog. Geraadpleegd op 4 mei 2009, op http://www.facom.com/fr/interactif_catalog/catalogue/appli.htm?onglet= &page=

Gerard, M. (1970). Visserie de qualite.(pp 148-149). Brussel: ACM.

Elesa+Ganter, (2004-2007). CD catalogue 057 [CD-ROM]. Evergem: Shake-hand bvba

60

Bijlage

Appendix A:

Berekening omtrent de sterkte en veiligheid van de hefboom(enkel op het opgelast deel, en niet in de las zelf daar de doorsnede op die plaats onbekend is)

Appendix B:

Schetstekeningen van alle gebrainstormde voorstellen en hun technische evoluties.

Appendix C:

Technische tekeningenbundel voor de realisatie van het voorstel omtrent de kettingoverbrenging (niet volledig afgewerkt).

Appendix D:

Technische tekeningenbundel voor de realisatie van het hefboomsysteem (deze tekeningen werden gebruikt bij de bouw van het prototype).

Appendix E:

Technische tekening van de gestandaardiseerde kar waarop de aandrijving moest opgebouwd worden

61