Poděkování
Tímto děkuji vedoucímu mé bakalářské práce akad. soch. Ladislav Křenek, Ph.D. Dále děkuji své rodině a přátelům za podporu a pomoc při práci.
Abstrakt a klíčová slova
Abstrakt Tato bakalářská práce je zaměřena na design akumulátorové vrtačky. Snaží se přinést zajímavé tvarové, grafické řešení. A zakomponovat nové technologické řešení sklíčidla. Klíčová slova Akumulátorová vrtačka, automatické sklíčidlo, příklepová vrtačka, design
Abstract This bachelor thesis is focused on the design of cordless drill. It seeks to improve shape and design solutions. Ant also to incorporate a new technology solution for chuck. Keywords Accumulator drilling-machine, automatic chuck, hammer drill, design
Bibliografická citace CIMBÁL, M. Design akumulátorové vrtačky.. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2009. 53 s. Vedoucí bakalářské práce: akad. soch. Ladislav Křenek, Ph.D.
Prohlášení o původnosti
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Design akumulátorové vrtačky, zpracoval samostatně, pouze s využitím pramenů uvedených v seznamu použité literatury.
Podpis:
Obsah Obsah Úvod
12
1. Analýza 1.1 Vývojová analýza 1.2 Technická analýza 1.3 Designérská analýza
14 18 22
2. Variantní studie designu 2.1 Varianta 1 2:2 Varianta 2 2.3 Varianta 3 2.4 Varianta 4 2.5 Varianta 5
26 26 26 27 27
3. Ergonomické řešení 3.1 Tvarování rukojetí 3.2 Různé způsoby držení 3.3 Ovládací prvky
30 30 31
4. Tvarové (kompoziční) řešení
34
5. Barevné a grafické řešení 5.1 Alternativní barevné varianty 5.2 Výsledné barevné a grafické řešení
38 38
6. Provoznětechnologické řešení 6.1 Materiály 6.2 Princip funkce 6.3 Ovládací prvky, jejich funkce 6.4 Chlazení 6.5 Technické parametry 6.6 Výhody automatického sklíčidla 6.7 Systém napájení 6.8 Výrobní postup
42 42 43 45 45 45 46 46
7. Rozbor 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5
48 48 48 48 48
technická funkce ergonomická funkce psychologická funkce estetická funkce ekonomická a sociální funkce
8. Závěr Seznam literatury Seznam příloh Přílohy
49 50 52 53
Úvod Úvod Pro svou bakalářskou práci jsem si zvolil téma design akumulátorové vrtačky. Návrh je určen zejména pro lidi používající akumulátorovou vrtačku při práci. Snažil jsem se do návrhu tvarově zakomponovat nové technologické řešení sklíčidla a to sklíčilo automatické. A v tvarovým, grafickým provedením se odlišit od součastných, akumulátorových vrtaček. Zároveň zohlednit ergonomická, technologická a estetická hlediska.
1. Analýza
Vývojová analýza
1.1 Historická analýza Vrtání je proces při němž vznikají válcové otvory ve vrtaném materiálů Nejstarší zmínky o vrtacím nářadí se datují k starým Harappansům a Egypťanům a jednalo se o nářadí využívající luk a tyč, poháněné rukou. Nástěnné malby v Egyptské hrobce datované na rok 2700 př. n. l. popisují jejich použití. Nástroj byl používán také pro zapalování ohně. Další krok ve vývoji následoval roku 400 před n. l., Archimedem byl objeven závit. Vznikl tak nebozez. Nebozez je ruční nářadí, pro vrtání malých děr, především do dřeva, bez toho, aby došlo k jeho rozštěpení. V 15. století se objevil kolovrátek. Při vrtání se tlačí na horní část kolovrátku a otáčí se rukojetí ve tvaru U. Stojanová vrtačka je mechanický stroj, vznikla z lukového vrtáku a je mnohá staletí stará. Byla poháněna různými silami například lidskou, vodní, větrnou. Roku 1774 John Wilkinson (Anglie) skonstruoval první stroj na vyvrtávání kanónových hlavní a parních strojů. V tu samou dobu byli vyzkoumány vrtáky, které se při otáčení vtlačovali sami do materiálu. Na začátku 19 století se objevila ruční vrtačka a také patenty na vylepšení sklíčidla. 1.11 Elektricky poháněné vrtačky Roku 1889 patentoval Arthur James Arnot první elektrickou vrtačku. Žil v Austrálii a pracoval pro Electric Company v Melbournu. Vrtačka byla zkonstruována pro vrtání do kamene a pro těžbu uhlí. První ruční elektrická vrtačka byla skonstruována roku 1895 v Německu Wilhelmem Feinem ze Stuttgartu. Zároveň se jednalo o první elektricky poháněné ruční nářadí.Vrtačka dosahovala 1200 otáček za minutu a byla poháněna stejnosměrným proudem o 110V. Z ergonomického hlediska nebyla tato první ruční vrtačka dobře řešena. V tehdejší době při konstrukci strojů ještě převládal mechanocentrický přístup. Vrtačku bylo nutno držet oběma rukama, které měli za úkol působit především proti vznikajícímu krouticímu momentu. Samotný vrták byl tlačen do materiálu silou, kterou dělník vyvíjel tak, že se opíral svým hrudníkem o opěrku na zadní straně
Obr. 1 První známá konstrukce používána pro vrtání a zapalování ohně [2]
Obr. 2 Nebozez [3]
Obr. 3 Ruční vrtačka [4]
Obr. 4 Ruční vrtačka využívající kolovrátek [5]
Vývojová analýza
Obr. 5 Rok 1895 první ruční elektrická vrtačka [6]
Obr. 6 Rok 1900 první vrtačka využívající lehkých slitin pro konstrukci [7]
Obr. 7 Rok 1900 FEIN představuje první ruční vrtačku s redukční převodovkou [8]
vrtačky. Další nepříjemnou vlastností této vrtačky byla její příliš velká hmotnost. Hlavním materiálem při její výrobě byla ocel. První ruční vrtačka z lehkých slitin se začala vyrábět kolem roku 1900. Její cena se roku 1902 přibližně rovnala dvouměsíčnímu platu průměrného dělníka. Nedošlo však k žádnému zlepšení způsobu držení vrtačky. Roku 1900 FEIN představil první vrtačku s převodovkou a kuličkovými ložisky. Snížením výstupních otáček, došlo k zvýšení krouticího momentu na vrtáku. Toto vylepšení umožnilo vrtat ručními vrtačkami do oceli přímo na stavbách. Vrtání do ocelových konstrukcí nebylo ničím novým, používaly se k tomu však mnohem pomalejší ručně poháněné vrtačky, nebo se vrtalo přímo ve výrobních halách. Přenosná, ruční, elektricky poháněná vrtačka tak začala šetřit čas i peníze. Proto se také začíná na stavbách prosazovat elektricky poháněné ruční nářadí. Stále však nebyl kladen důraz na ergonomické tvarování. Celý koncept držení oběma rukama, tlačení hrudníkem zůstával stejný. Až do doby kdy Black and Dacker přijde s revolučním konceptem. V následujících letech se začnou využívat třírychlostní motory. Roku 1917 Black and Decker patentuje svoji revoluční myšlenku, a to použití existujícího konceptu rukojetí využívaných u zbraní převzít a aplikovat ji na ruční, elektrické nářadí, spoušť tak převezme funkci spínacího tlačítka Celá vrtačka tak dostala tvar připomínající pistol. Základní tvarování se od této doby již nezměnilo. Toto vylepšení přineslo hned několik výhod. Oproti starému řešení byla rukojeť nyní ergonomicky tvarovaná. Vrtačku stačilo držet jen jednou rukou, pomocí ukazováčku ji bylo možno okamžitě zapínat a vypínat. Ta samá ruka sloužila i pro vyvíjení síly, kterou je potřebná pro tlačení vrtáku do materiálu. Nebylo tedy už třeba držet vrtačku oběma rukama a tlačit jí pomocí břicha. Nyní měl dělník druhou ruku volnou a mohl jí použít například pro přidržování vrtané součástky. Z toho vyplývá, že pro práce, kde bylo třeba dvou dělníku, nyní stačil jeden. Proto i toto vylepšení v konstrukci vrtačky zvýšilo výkonnost vrtacích prácí. Při vzniku příliš velkého krouticího momentu, kdy už nestačila jedna ruka na držení, bylo možné připevnit
Vývojová analýza
druhou rukojeť na přední část vrtačky, stejně jak u dnešních typů, a pomoci si tak druhou rukou. V následujících letech docházelo v konstrukci stroje k dalšímu vylepšen, v 30-tých letech se začaly používat k výrobě pláště plasty. V 30-40tých letech se začalo s první hromadnou výrobou ručních elektrických vrtaček. Začalo se objevovat kutilské hnutí (tzv. DoIt-Yourself hnutí). Do-It-Yourself hnutí vyžadovalo vrtačku, která nebude specializovaná na jeden úkol, například vrtání do železa, ale bude schopna vrtat do oceli, zdiva, betonu, dřeva. 1.12 Akumulátorové vrtačky Roku 1961 představila společnost Black & Decker první bezdrátovou vrtačku, poháněnou nikl-kadmiovou baterií. Roku 1962 byly apředstaveny čtyři nové varianty, tentokrát pro profesionální využití. Roku 1968 byla použita akumulátorová vrtačka k odebrání vzorků z Měsíce. Chybějící kabel umožňuje vrtat takřka všude (i na Měsíci). První verze akumulátorových vrtaček neměli samozřejmě stejně velké kroutící momenty jako jejich příbuzné s kabelem, ale jejich flexibilita vrtat takřka kdekoliv vyvažovala tuto nevýhodu. Hlavní příčinou těchto slabých výkonů byl nedostatečně velký příkon nízkonapěťových baterií, pohybujících se kolem 9,6V. Nízké podávané výkony byly a jsou využívané jako akumulátorový šroubováky. V dalších letech vývoje se design zásadně nezměnil. Neustále rostl kroutící moment, výdrž a výkonnost. 1.13 Současný stav akumulátorových vrtaček Počátkem 21. Století se začínají prosazovat lithium-ionové baterie, které jsou lehčí, dobíjejí se mnohem rychleji, vydrží déle a po celou dobu provozu dodávají konstantní příkon. Rychlost nabíjení oproti nikl-kadmiových, kde při dvouhodinové pracovní době bylo nutné nabíjet dvě hodiny, klesla na pouhých 20 minut. Při využívání dvou baterií jsme tedy schopni s akumulátorovou vrtačkou pracovat takřka nepřetržitě. V dnešní době existují tři hlavní typy konstrukce a umístění jednotlivých komponen-
Obr. 8 Rok 1918 první vrtačka s třemi vrtacími rychlostmi [8]
Obr. 9 Roku 1968 akumulátorová vrtačka použita na měsíci [9]
Vývojová analýza
tů akumulátorové vrtačky a to do tvaru T, tvarování podobné pistoli a konstrukce do pravého uhlu. Přičemž se nejvíce prosazuje konstrukce ve tvaru T. Hlavní důvody jsou, nejlepší vyváženost a možnost kolmo postavit vrtačku na rovnou plochu. Akumulátorová vrtačka s pistolovou konstrukcí, vyvíjí větší krouticí momenty a mají také silnější baterii, jsou proto vybaveny druhou přídavnou rukojetí. Konstrukce do pravého úhlu nám zas umožňuje vrtat jinak v nepřístupných místech. Držení je však z ergonomického hlediska nevhodně řešené. Proto je tento typ vyráběn nejméně. Na klasické vrtačky se začínají proto vyrábět nástavce, které tento problém řeší. Výkonnější modely se začaly vyrábět s příklepem. Napětí u baterií těchto vrtaček se pohybuje okolo 18V. Toto vylepšení usnadňuje vrtání do tvrdých, křehkých materiálů např. zdivo, beton. Napětí baterií se během vývoje vyšplhalo z 4,7 V na 36 V. Takže můžeme vidět na trhu první vrtací kladiva běžící na energii z akumulátorů. Baterie se tak postupem času budou čím dál více zlehčovat a jejich výkonnost dále poroste. Můžeme tedy předpokládat, že postupem času všechno ruční, elektricky poháněná nářadí přejde na napájení z baterií. Snaha uživateli usnadnit práci, co nejméně namáhat jeho svalovou hmotu, vedla v Austrálii k vývoji elektricky ovladatelným automatického sklíčidla. Čelisti mají tak silnější sevření vrtáku. Do budoucna se dá očekávat, že se tato technika rozšíří a bude používána i u jiných výrobců.
Obr. 10 Akumulátorová vrtačka využívající automatické sklíčidlo [10]
Technická analýza 1.2 Technická analýza Vrtání je činnost při které ve vrtané součásti vzniká válcovitý otvor. Nářadím je vrták, který je upevněn ve vrtačce pomocí sklíčidla. Na vrták působí vrtačka krouticím momentem. Uživatel tlačí vrták pomocí vrtačky kolmo do vrtaného materiálu. Vrták se pod vlivem krouticího momentu otáčí a vytváří tak válcový otvor. Hlavní části akumulátorové vrtačky jsou elektricky poháněný motor, převodovka, sklíčidlo, ovládací prvky, akumulátor. Ovládací jsou spínač, regulátor krouticího momentu, přepínač pravého a levého chodu, u lepších strojů je přepínač rychlostí, u příklepových přepínač módu příklepového, vrtacího, šroubovacího. Motor je napájen většinou stejnosměrným proudem z baterie. Proudem se budí magnetické pole ve statoru (fixované cívky ke kostře) a rotoru (pohyblivá část). Proud teče z baterie přes sepnutý spínač na stator a přes uhlíkové kartáčky na rotor, kde vzniká magnetické pole, které pak roztáčí rotor. K rotoru je připevněna hřídel, která přenáší kroutící moment a otáčky na převodovku. U akumulátorových vrtaček je většinou planetová převodovka, kde jsou otáčky redukovány za účelem získat větší kroutící moment. Mezi převodovkou a sklíčidlem je ještě umístěna spojka, kterou můžeme redukovat výsledný krouticí moment na sklíčidlu. Tato funkce je vhodná pro případ, když se s akumulátorovou vrtačkou šroubuje.
1.21 Materiál:
Hlavním materiálem na kryt je plast. Na konstrukci mechanických součástí se většinou využívají slitiny lehkých kovů. U extrémně namáhaných součástí se používá ocel.
1.22 Řez akumulátorovou vrtačkou
Na obrázku lze vidět umístění jednotlivých součástí a jejich vzájemné propojení. 1 ,,Robustní kryt z polyamidu s výztuží ze skelných vláken. Dlouhá životnost a robustnost zabalená do správného tvaru.” [1] 2 Třístupňová planetová převodovka s kovovými ozubenými koly. Prodlužuje životnost stroje.
Obr. 11 Řez systémem nabíjení akumulátorů [11]
Technická analýza
2
1
3
4
9
5
6
8
7
Obr. 12 Řez akumulátorovou vrtačkou [11]
3 ,,Metabo ,,Impuls” snadné vyšroubování ,,zakouslých” šroubů. Přepínač pravého a levého chodu. Díky symetrickému uspořádání vhodné pro leváky i praváky.” [1] 4 Kryt převodovky z hliníkového odlitku. Tento typ konstrukce zvyšuje životnost stroje. Stroj je robustnější . 5 Rychloupínací sklíčidlo umožňuje snadnou výměnu nástroje. 6 Přepínač pravého a levého chodu 7 Akumulátor 8 Pogumovaná rukojeť 9 Ergonomicky tvar Z ,,Jedinečný design vám umožní pracovat bez zbytečného namáhání a únavy a zajistí perfektní využití sil.” [1]
Technická analýza
Přehled jednotlivých komponentů
Obr. 13 Rozložená akumulátorová vrtačka [12]
2 4 5 6 7 8 10 12 13 14 15 16 17 18 19 21 22 25
plastový kryt přepínač rychlostí přepínač otáček z pravých na levé a opačně spínač diodové osvětlení pracovní oblasti terminál sklíčidlo převodová skříň stator rotor s chladícím větrákem držák uhlíkových kartáčků uhlíkové kartáčky gumový váleček kryt šroub chladič pružina hák
Technická analýza Ovládací prvky a jejich umístění Zobrazená akumulátorová vrtačka je 18V 1/2” LXT Lithium-Ion Hammer DriverDrill Kit Model BHP451
Obr. 14 Spínač [13]
Obr. 15 Přepínač otáček z pravých na levé a opačně [13]
Obr.16 Přepínač rychlostních režimů [13]
Obr. 17 Prstenec pro nastavení krouticího momentu [13]
Obr. 18 Připevnění a odpojení baterie [13]
Obr. 19 Přepínač mezi módy [13]
Obr. 20 Rychloupínací sklíčidlo [13]
Obr. 21 Připevnění pomocné rukojeti [13]
Designérská analýza 1.3 Designérská analýza Design akumulátorové vrtačky je daný především její funkčností a ergonomickými požadavky. Celé tělo akumulátorové vrtačky můžeme tak rozdělit do tří hlavních objemů. V prvním objemu se nachází hlavní funkční součásti: motor, planetová převodovka, spojka, sklíčidlo. Tyto součásti mají válcový tvar, proto také tento objem má především tvar válce. Nacházejí se zde také některé ovládací prvky a to zejména pro nastavení krouticího momentu, rychlosti, dotahování a povolování sklíčidla. Také je to nejvýraznější objem, proto se zde také nachází značka výrobce. Dalším hlavním objemem je rukojeť, které musí být vhodně ergonomicky tvarovaná. Na rukojeti jsou umístěny hlavní ovládací prvky, spínač a přepínač směru otáčení. Pro větší pohodlí při držení je povrch ručky pogumován. Rukojeť musí být tvarovaná tak, aby měla při držení určitou směrovost. Posledním hlavní objem tvoří baterie, je většinou tvaru kvádru z důvodů nutnosti uschovat akumulátorové články. Slouží také jako podstavec. Tento objem je dále u některých novějších modelů ještě o trochu zvětšen o vzduchové chlazení, které zvyšuje podstatně životnost akumulátoru. Umístění těchto základních hmot v prostoru, je řešené tak aby těžiště leželo v co nejvhodnějším místě pro uživatele, a to v ruce. Konstrukčně je tento problém řešen tak, že mechanické části jsou umístěný nahoře, dole je pak umístěn akumulátor a tyto dvě části jsou pak spojeny rukojetí. Rukojeť je posunuta doprostřed horního válcovitého objemu. Výsledkem je vhodně vyvážená vrtačka. Přídavný objem tvoří pomocná rukojeť, která je upevněna za sklíčidlem a je otočitelná, její průřez je kruhový. 1.31 Tvarování Tvarování je většinou organické z důvodů nutně ergonomicky tvarované rukojeti. Křivky pak přecházejí do zbytku celého těla akumulátorové vrtačky. Tyto organicky tvarované křivky jsou doplňovány geometrickými, zejména kružnicí, z důvodů již zmíněné konstrukce motoru, planetové převodovky a sklíčidla. Jak si můžeme všimnout na obrázcích, povrch jednotlivých akumulátorových vrtaček je modelován většinou hodně členitě. Dále si pak můžeme všimnout, že detaily,
Obr. 22 Dewalt [14]
Obr. 23 Milwaukee [14]
Obr. 24 Makita [14]
Obr. 25 Bosch [14]
Designérská analýza
jako například tvarování chladících otvorů, gumových partií, sklíčidel, akumulátorů se svým tvarováním liší, ale jejich umístění na tělu akumulátorové vrtačky zůstává stejné. To samé platí pro ovládací prvky.
Obr. 26 Hitachi [14]
Obr. 27 Black & Decker [14]
Obr. 28 Panasonic [14]
1.32 Barevné provedení Jednotlivý výrobci se od sebe liší barevným provedením, které je patrné na první pohled. Barva se obvykle nachází ve značce firmy. Výrobci kladou důraz na rozeznatelnost jejich výrobků. Každý má tedy jednu hlavní sytou barvu, výjimečně i druhou pro zvýraznění ovládacích prvků. Tato primární barva musí být sytá, zářivá, aby byla dobře rozeznatelná v pracovním prostředí. Další barvy tvoří odstíny šedé, černé. Ovládací prvky jsou vždy provedeny v kontrastní barvě oproti hlavní barvě vrtačky. 1.33 Použité materiály Hlavní materiálem je plast. Plast je výhodný svojí lehkou hmotností a izolační schopností. Je dále dobře tvarovatelný a umožňuje tak navrhnout výrobek takřka jakéhokoliv tvaru. Oblasti, na které působí člověk silou, jsou pogumovány. Mají tak protiskluzové vlastnosti. Některé krycí části jsou vyrobeny z lehkých slitin, ty pak odvádí lépe teplo a také mají větší pevnost. 1.34 Trendy Výrobci se snaží vyrábět akumulátorové vrtačky co nejlehčí, proto je hlavním konstrukčním materiálem na kryt plast. Dále se dosahuje nižší hmotnost použitím novějších akumulátorů lithium-ionových, které jsou až o 40% lehčí než jejich předchůdci. Výrobci dále do svých akumulátorových vrtaček zabudovávají různé nápomocné drobnosti, jako je třebas osvětlení vrtané plochy pomocí diod umístěných na vrtačce, držáky na bity, přimontovatelné háky, pro zavěšení za opasek, vodní váhy, ukazující jestli vrtáme kolmo do zdi nebo podlahy.
Obr. 29 Porter Cable [14]
2. Variantní studie designu
Variantní studie designu
2. Variantní studie designu Při navrhování prvních variant jsem zachovával hlavní rozložení hmot a umístění ovládacích prvků. Rozložení hmot je dáno umístěním mechanických prvků, motoru, planetové převodovky, spojky, automatického sklíčidla, akumulátoru a rukojetí. Všechny varianty jsou vybaveny automatickým sklíčidlem. Umístění jednotlivých ovládacích prvků se taky příliš neliší, od klasického řešení vrtačky. A to z důvodů k zvyklostem uživatelů, kteří se zkušenostmi s podobnými stroji očekávají podobné umístění těchto prvků. 2.1 Varianta 1 Tvarování je volené spíše geometrické s mírným využitím organických přechodů. Hlavní objem je tvarován jako přechod mezi válcovým průřezem v přední části a zaobleným čtvercovým průřezem v zadní části objemu. Celkový dojem z navrhovaného designu působí rozházeně. Dojem je vyvolán absencí logických návazností mezi jednotlivými křivkami 2.2 Varianta 2 U této varianty došlo k zjednodušení tvarování. Zajímavým grafickým prvkem je křivkový přechod od chladících otvorů k drážkování na pogumované rukojeti. Podobné drážkování je použito na pogumovaném krytu sklíčidla a na přepínacím prstenci na stavení maximálních dovolených kroutících momentů. Z navrhované varianty jde však vycítit nepříjemný kontrast mezi organicky tvarovanými křivkami a částečně geometricky tvarovanými křivkami. Dalším problémem je umístění přepínače rychlostních režimů, který je na tělu vrtačky umístěn bez jakýchkoliv logických návazností k ostatním tvarovým prvkům. Budí dojem, jakoby volně plaval na plášti vrtačky.
Obr. 30 Varianta 1
Obr. 31 Varianta 2
2.3 Varianta 3 Design využívá více organického tvarování. Zadní část je lépe vytvarovaná než u předchozích variant. Tvarové provedení chladících otvorů plynule přecházejí do drážkování na pogumované rukojeti. Přídavná rukojeť není dobře zakomponovaná do celkového tvarování návrhu. Je sice odmontovatelná, ale takovéto řešení nepodporuje celkový
Obr. 32 Varianta 3
Variantní studie designu
design návrhu a působí dojmem narychlo připojeného funkčního prvku. Odjišťovací tlačítko akumulátoru je tvarované příliš v geometrickém stylu a zároveň je moc tvarově složité. Přepínač rychlostních režimů taky není vhodně, tvarově integrovaný. 2.4 Varianta 4 Navrhovaný design má lepší přechody mezi jednotlivými objemy a logickou návaznost křivek než lze vidět u předchozích variant. Přepínač rychlostních režimů je v tomto návrhu už tvarově zakomponován a to pomocí křivkového provedení chladících otvorů. Vzájemné poměry hlavních objemů nepůsobí příliš vyváženě.
Obr. 33 Varianta 4
2.5 Varianta 5 Chladící otvory v tomto návrhu jsou provedeny užšími průřezy. Můžeme pozorovat plynulé navázání jednotlivých křivek vedoucích od spínače přes chladící otvory k přepínači rychlostních režimů. Trojúhelníkový průřez přepínače směru otáček narušuje převažující oblouková tvarování návrhu. Tvarové napojení přídavné rukojeti není vhodně provedené, i když naznačuje její odmontovatelnost. Geometricky tvarovaný akumulátor je v příliš velkém kontrastu k navazující, organicky tvarované rukojeti.
Obr. 34 Varianta 5
3. Ergonomické řešení
Ergonomické řešení
3. Ergonomické řešení O akumulátorové vrtačce můžeme říci, že se jedná o ruční nářadí, z toho vyplývá, že design vycházel zejména z ergonomických požadavků na držení a ovládání stroje. Celý systém držení vychází ze současného ověřeného řešení držení a ovládání, které je praktické, vyzkoušené v praxi. 3.1 Tvarování rukojetí Hlavní rukojeť je tvarovaná do tvaru rukojeti pistole, což je nejvíce ověřené ergonomické tvarování v pro rukojeť s danou směrovostí. Povrchová úprava a to pogumování působí protiskluzově, zároveň se díky této úpravě stává ovládání pro uživatele příjemnější, částečně dovede pohltit vznikající vibrace při provozu vrtačky. Druhá rukojeť v přední části má jednodušší, spíše geometrické tvarování. Má kruhový průřez, protože je podle potřeby odmontovatelná. Kolmo na tento kruhový průřez je položena obloukovitá křivka, která po orotování tvoří objem rukojeti. Rukojeť tvarově plynule přechází do otočného prstence. Povrchová úprava je zde taky provedena pogumováním, z důvodů lepších vlastností pro uživatele. 3.2 Různé způsoby držení Vrtačka je navrhnuta tak aby umožňovala uživateli různé způsoby držení. 3.21 Držení jednou rukou Při tomto způsobu držení je používána jedna ruka, kterou je možné bez problému pomocí ukazováčku zapínat a vypínat stroj, nebo měnit směr otáček. Druhá ruka pak zůstává volná a lze ji využít pro měnění funkcí na vrtačce, nebo pro přidržování pracovního materiálu. Rukojeť lze z tohoto důvodu odmontovat. Kdyby při práci se strojem zavazela.
Obr. 35 Držení jednou rukou
3.22 Držení oběma rukama Tento typ držení umožňuje uživateli vyvinout větší sílu, a zároveň působit větší silou proti vznikajícím kroutícím momentům. Rukojeť v přední části vrtačky je proto přizpůsobená, je otočná kolem hlavní osy stroje, tak aby vrtačka byla vhodná pro leváky a praváky. Obr. 36 Držení oběma rukama
Ergonomické řešení
3.23 Alternativní způsob držení Při tomto typu držení se používají obě ruce, pomocná rukojeť se buď otočí tak aby nezavazela, nebo odmontuje. Tento způsob držení je umožněn absencí rotujících součástí na plášti vrtačky.
Obr. 37 Alternativní způsob držení
Obr. 38 Druhý alternativní způsob držení
3.24 Druhý alternativní způsob držení Tento způsob držení je možný a dá se použít v situaci, kdy potřebujeme vyvinout opravdu velkou přítlačnou sílu na hrotě vrtáku, šroubováku. Jednou rukou je držena hlavní rukojeť, druhá ruka uchopí zadní část vrtačky. Uživatel se pak muže opřít hrudníkem o zadní část vrtačky a jeho ruku a vyvinout tak větší přítlačnou sílu. 3.3 Ovládací prvky Ovládací prvky je nutné umístit osově souměrně, aby bylo ovládání vhodné jak pro leváky tak pro praváky. Dále je vhodné držet se klasického umístění jednotlivých ovládacích prvků, které můžeme vidět na soudobích akumulátorových vrtačkách, klasických vrtačkách i sbíječkách Uživatel potom nemá žádný problém s přechodem z jednoho stroje na druhý, protože automaticky zná umístění i funkci daného ovládacího prvku. Spínací tlačítko je ovládané ukazováčkem. Není označené symbolem. Předpokládá se určitá znalost uživatele, popřípadě bude popsané v manuálu. Přepínač směru otáčení je ovládán palcem a ukazováčkem. Zjednodušené ovládání změna převodového poměru a vypínaní, zapínání příklepu je ovládána jediným přepínačem. Toto řešení je technologicky možné a zároveň zjednodušuje uživateli ovládání. Přepínač je ovládané celou rukou. Přepínač rychlostních režimů je umístěn viditelně, nahoře na kytu, vyznačuje nastavený maximální kroutící moment případně mod příklepový, vrtací.
4. Tvarové (kompoziční) řešení
Tvarové (kompoziční) řešení
4. Tvarové (kompoziční) řešení Celé tvarové řešení vychází především z ergonomických a poté z konstrukčních požadavků. Orientuje se z velké části podle klasických vrtaček, zejména umístěním ovládacích prvků. Což je pochopitelné, protože uživatelé jsou již zvyklí na zavedené řešení. Dále se snaží oproti některým současným modelům zachovat určitou celistvost navrhovaného designu. Některé tvarové a grafické řešení současných strojů je příliš složité, působí až dojmem hmotově a graficky se rozpadajícího tělesa. Požadavek dobré manipulace s nářadím je splněno organickým tvarováním navrhnutého designu. A to tak, že mezi třemi hlavními objemy jsou navrženy organicky tvarované přechody jednotlivých ploch. Zároveň z povrchu vrtačky nevyčnívají žádné ostré hrany. Požadavek možnosti užívat nástroje jak praváky tak leváky, je vyřešen osovou souměrností, jak tvarováním, tak umístěním ovládacích prvků. Přepínač rychlostních režimů je proto umístěn nahoře na plášti vrtačky. Takovéto umístění umožňuje zachovat osově souměrný, vyvážený design vrtačky. U některých součastně vyráběných strojů bývá tento přepínač umístěn na levé straně. Přepínač módů je integrovaný do přepínacího prstence na stavení maximálních dovolených kroutících momentů, což snižuje počet ovládacích prvků a umožňuje tak čistější tvarové řešení. Požadavek umístění výchozího těžiště akumulátorové vrtačky do ruky uživatele tak, aby byla jeho činnost s nástrojem co nejpohodlnější. Tomuto požadavku vyhovuje tvarování připomínající písmeno zet. Zároveň tento typ umístění objemů přispívá k čistějšímu kompozičnímu řešení. Spodní část akumulátoru slouží jako základna pro odložení vrtačky na pracovní plochu, z tohoto důvodu je spodní strana akumulátoru rovná. Rotující ovládací prvky mají kruhové průřezy a jsou od sebe odděleny rovnými plochami. Ve tvarovém řešení jsem se snažil vytvořit jednoduchý na oko příjemný a zároveň zajímavý design.
Obr. 39 Pohled z boku
Obr. 40 Pohled z vrchu
Obr. 41 Pohled ze zadu
Obr. 42 Pohled ze předu
Tvarové (kompoziční) řešení
Obr. 43 Perspektivní pohled
Obr. 44 Analýza ploch 1
Obr. 45 Analýza ploch 2
5. Barevné a grafické řešení
Barevné a grafické řešení
5 Barevné a grafické řešení 5.1 Alternativní barevné varianty Zde jsem se zaměřil zejména na rozmístění jednotlivých barevných ploch. 5.2 Výsledné barevné a grafické řešení Barevné řešení se skládá ze tří hlavních barev. Dva odstíny šedé, budí dojem profesionálního nářadí. Světlejší šedá barva je použita jako hlavní. Celá hlavní konstrukce je pod tlakem odstříknuta z tohoto plastového materiálu. Tmavší odstín je použitý na pogumované součásti. U strojů je zvykem navrhovat pogumované rukojeti v černé a tmavošedé barvě, z důvodů použitého materiálu. Tímto barevným řešením jsou označeny povrchy sloužící pro manipulaci se strojem. Třetí barva je pak výrazná. Slouží totiž pro zvýraznění ovládacích prvků a zároveň slouží pro zvýraznění vrtačky na pracovní ploše, případně na stavbě. Automatické sklíčidlo je ponechané bez povrchové úpravy, je skryté v pogumovaném tmavošedém prstenci, který zároveň slouží k jeho ovládání. Na těle vrtačky jsou použity dva typy popisů. Popisy ovládacích prvků jsou provedeny černou barvou a mírně vlisovány do povrchu, tak aby bylo zabráněno jejich setření při častém používání. Druhý typ popisů je na předních pogumovaných částech. Z toho vyplívá nutnost použít bílou barvu a zároveň mírně tučnější font. I zde jsou popisky mírně vlisovány do povrchu. Celý objem je organicky tvarovaný, jednotlivé objemy mezi sebou plynule přecházejí. Z toho vyplývá, že patrné rozdělení objemů je provedeno z velké části pomocí grafiky a to využitím dělících spár a použitím barev. Nesmí však dojít k příliš agresivnímu rozbití tvarů, jak lze vidět na některých vyráběných modelech. Dělící spáry jsou tak promítnuté organickými křivkami na tělo vrtačky, podporující celkové organické vytvarování vrtačky. Proti tomuto organickému tvarování kontrastně působí provedení některých ovládacích prvků, které jsou tvarovány spíše geometricky a zároveň zvýrazněny sytou barvou. Tvarově tak navazují na kruhový průřez hlavního objemu. Tvoří tak zajímavé detaily, přitahující pozornost uživatele.
Obr.46 První barevná varianta
Obr. 47 Druhá barevná varianta
Obr. 48 Třetí barevná varianta
Obr. 49 Výsledné barevné a grafické řešení
Barevné a grafické řešení
Obr. 50 Závěrečné řešení
Obr. 51 Umístění značky (označení)
6. Provoznětechnologické řešení
Provoznětechnologické řešení 6 Provoznětechnologické řešení 6.1 Materiály Hlavním konstrukčním materiálem pro zhotovení je plast a to konkrétně polyamid s výztuží skelných vláken. Obal tvořící celou opěrnou konstrukci, je vyroben z plastu. Tento materiál poskytuje dostatečnou pevnost a výbornou tvarovatelnost, která je využita k organickému tvarování návrhu a dále taktéž při konstrukci vnitřních opěrných žeber. Tento materiál má velmi dobré izolační vlastnosti, ať už elektrické, nebo tepelné. Plast lze výborně barvit do jakýchkoliv odstínů a to přidáním barviva do objemu materiálu při tlakovém odstříknutí součástí. Materiál se tak zbarví v celém svém objemu. Odpadá tak nutnost následné barevné úpravy povrchu. Vrtačka se tak může složit z předem různě zbarvených, odstříknutých součástí. Je možné vyrobit formy s jemně hrbolatým, zrnitým povrchem, který se pak otiskne na povrchu výrobku a vytvoří tak plochu jemně matnou s protiskluzovými vlastnostmi. Mechanické součásti jsou vyrobeny z lehkých slitin hliníku, které poskytují dostatečné pevnostní vlastnosti a zároveň nezvyšují příliš výslednou hmotnost vrtačky. U obzvlášť namáhaných součástí může být použita ocel. Na odkryté části sklíčidla je použita ocel s dobrými protikorozními vlastnostmi. Jednotlivé zuby jsou z důvodů velkých namáhajících sil také vyrobeny z oceli Akumulátorová baterie je složena z materiálu specifických pro tuto funkci. Poslední dobou se prosazuje nový, lehčí a výkonnější typ a to baterie lithium-iontové. Rukojeť a plochy, pod častým stykem s dlaněmi, jsou pogumovány. 6.2 Princip funkce Je řešený jako u klasických akumulátorových vrtaček. Stisknutím spínače na hlavní rukojeti se uzavře primární elektrický obvod, který poté pohání elektromotor. Elektrický motor je poháněn stejnosměrným elektrickým proudem. Vzniklý kroutící moment a pohyb je pak přenášen pomocí hřídele z elektromotoru na planetovou převodovku, kde dochází ke snížení otáček a k zvýšení kroutícího momentu. Poměr se nastaví pomocí přepínače převodového poměru. Z planetové převodovky se
Obr. 52 Umístění funkčních prvků
Obr. 53 Umístění automatického sklíčidla
Obr. 54 Umístění planetové převodovky a spojky
Obr. 55 Umístění motoru
Provoznětechnologické řešení
pak upravený kroutící moment a otáčky vedou přes momentovou spojku na mechanismus vyrábějící příklep a odtud nakonec na automatické sklíčidlo. Z automatického sklíčidla se pak kroutící pohyb a otáčky vedou pomocí třecích sil přímo na vrták. Napájení probíhá přes akumulátorové články. Uchycení akumulátoru je provedeno pomocí pružinového mechanismu. 6.3 Ovládací prvky, jejich funkce Ovládací prvky slouží k ovládání veškerých potřebných funkcí akumulátorové vrtačky. Seznam jednotlivých přepínačů je následující: spínač, přepínač směru otáček, přepínač převodových poměrů, přepínací prstenec na stavení maximálních dovolených kroutících momentů, druhý prstencový přepínač sloužící k ovládání automatického sklíčidla, odjišťovací tlačítka akumulátoru. Obr. 56 Spínač
Obr. 57 Přepínač směru otáček
Obr. 58 Přepínač rychlostních režimů
Spínač je umístěný na hlavní rukojeti, slouží k zapínání, vypínání akumulátorové vrtačky. Otáčky vrtačky lze plynule měnit pomocí pomalého stlačování spínače od nulové hodnoty až na maximální. Technologicky je tato funkce vyřešená plynulým měničem odporu v závislosti na stlačení spínače. Přepínač směru otáček je umístěn přímo nad spínačem. Slouží k přepínání směru otáček z pravých na levé a nebo opačně. Jedná se o přepínač posuvný. Má dvě polohy. Z bezpečnostních důvodů by mohla být dodána třetí poloha neutrální, která by ležela uprostřed a která by pak blokovala vrtačku. Technologicky je tato funkce řešena výměnou plusového pólu na minusový a minusového na plusový. Přepínač rychlostních režimů je umístěný na horní části vrtačky. Slouží k přepínání mezi jednotlivými převodovými stupni. Jedná se o přepínač posuvný. Navrhovaná akumulátorová vrtačka bude mít tři převodové stupně, proto také bude mít tři pozice. Označení jednotlivých stupňů bude provedené číselně od jedničky po trojku. Přepínání převodů je uvnitř planetové převodovky provedené mechanicky. Tento přepínací systém je vhodný u profesionálního nářadí, protože pro vrtání do různých materiálů jsou vhodné různé poměry otáček a kroutících momentů.
Provoznětechnologické řešení
Přepínací prstenec na stavení maximálních dovolených kroutících momentů je umístěn mezi hlavním tělem vrtačky a prstencem pro upevnění přídavné rukojeti. Jedná se o přepínač rotační. Má sedm pracovních pozic. Očíslované pozice od jedničky až k pozici pět slouží k nastavení maximálních kroutících momentů na sklíčidlu. Většinou používány při šroubování šroubů. Na jedné pozici je zobrazeny symbolicky vrták, tato pozice vyřadí z činnosti spojku, tím umožní přenos maximálních kroutících momentů na sklíčidlo. Toto nastavení je například vhodné pro vrtání do oceli, nebo dřeva. Poslední pozici zabírá symbol kladívka, tato pozice zapíná příklepovou funkci. V příklepové funkci je momentová spojka automaticky vyřazena z provozu, což i tu vede k převodu maximálních kroutících momentů na sklíčidlo. Nastavení je vhodné při vrtání do tvrdých, křehčích materiálů jako například zdivo, beton, dlažba, obklady. Prstencový přepínač sloužící k ovládaní automatického sklíčidla je umístěn úplně v přední části vrtačky, kryje celé automatické sklíčidlo. Jedná se o přepínač otočný. Přepínač má tři polohy a to otevírání, neutrál, zavírání. Při vychýlení do jiné pozice než neutrální dojde k zapnutí elektromotoru, otáčky se pomocí převodu, umístěného za sklíčidlem extremně sníží, aby vzrostl krotící moment, jedna jinak pohyblivá část se zablokuje a zbytek funkce probíhá jako u klasického sklíčidla rychloupínacího. Poté co se nám například vrták upevní ve sklíčidle, začne momentová spojka cukavě, prokluzovat, pustíme přepínač, který se díky pružinového mechanismu vrátí automaticky do neutrální polohy. Jedná se zde o předpokládaný technologický postup řešení automatického sklíčidla.
Obr. 59 Přepínací prstenec na stavení maximálních dovolených kroutících momentů
Obr. 60 Ovládání automatického sklíčidla
Odjišťovancí tlačítka akumulátoru jsou umístěny na akumulátoru. Princip funkce je velmi snadný a vůbec se neliší od již vyráběných strojů. Jsou podložené pružinami, které je tlačí od akumulátoru. Ukončeny jsou háky, které se zaháknou do zhotovených prohlubní. Stisknutím obou tlačítek lze pak akumulátor odpojit.
Obr. 61 Odjišťovací tlačítko akumulátoru
Provoznětechnologické řešení
Obr. 62 Chladící otvory
Obr. 63 Chladící otvory
6.4 Chlazení Primárním úkolem chlazení je chránit elektromotor před přehřátím a jeho případně následující destrukci. Sekundárním úkolem je částečně chladit planetovou převodovku, která se může zahřívat z důvodů existence tření mezi jednotlivými převody. Jedinou viditelnou částí chladícího systému jsou tvarově zajímavě provedené chladící otvory. Tyto otvory jsou umístěny na zadní horní části krytu akumulátorové vrtačky. Pro tento typ stroje by měli být otvory takovýchto rozměrů dostatečně velké. Proud chladícího vzduchu je poháněn malým ventilátorem umístěným přímo za motorem. Chladící ventilátor je pevně spojen s osou elektromotoru, která ho tímto způsobem pohání. Nasávání chladného, venkovního vzduchu probíhá přes chladící otvory a částečně přes neutěsněné spáry v sklíčidle a za ním. Tato konstrukce umožňuje proudění chladného vzduchu kolem sklíčidla, planetové převodovky a nejvíce kolem elektromotoru. Nakonec všechen ohřátý vzduch opouští akumulátorovou vrtačku chladícími otvory . 6.5 Technické parametry Předpokládaná hmotnost včetně akumulátorových článků se pohybuje kolem 2,7 kg, s tím, že akumulátor je již počítán do hmotnosti. Napětí akumulátoru je 18V o kapacitě 2,2 Ah. Maximální kroutící moment na sklíčidlu by se pohyboval od 60 do 65 Nm. Maximální průměry vrtáku do oceli kolem 12 mm, do dřeva kolem 30 mm. Maximální počet otáček při volnoběhu by byl 1450 min-1. Rozpětí sklíčidla je 1,5 - 13 mm. 6.6 Výhody automatického sklíčidla Na obvodovém povrchu se nenacházejí žádné rotující součásti, což umožňuje další způsob držení. Dále při pracovní činnosti umožňují rychleji, pohodlněji, měnit vrtáky.
Provoznětechnologické řešení
6.7 Systém nabíjení Systém nabíjení se skládá ze dvou akumulátorů a jedné nabíjecí jednotky. Umožňuje se tak nepřetržitá činnost vrtačky při práci. Jeden akumulátor se může používat, zatímco druhý se dobíjí. Předpokládané napětí na akumulátoru by bylo 18 V. 6.8 Výrobní postup Tělo vrtačky je složeno ze dvou osově souměrných hlavních částí vyrobených z plastu. Všechny plastové součásti jsou vyrobeny odstřikováním pod tlakem do ocelových forem. Do těchto dvou částí se vloží elektromotor, převodovka, spojka, automatické sklíčidlo a elektrotechnika Tyto dvě části se pak sešroubují. Následně se nasadí ovládací prstenec na momentovou spojku, poté prstenec pro odšroubovatelnou rukojeť a nakonec ovládací kryt automatického sklíčidla. Po té se může nasadit kryt s chladícími otvory. Touto konstrukční metodou by mělo být zabráněno viditelnosti montážních šroubů. Pogumování rukojeti lze provést jako povrchovou úpravu. Akumulátor je složen zvlášť, buď sešroubováním nebo stavením (slepením) dvou plastových části. Uloží se zde i přichycovací mechanismus, sloužící pro uchycení akumulátoru k tělu vrtačky.
Obr. 64 Rozložená akumulátorová vrtačka
7. Rozbor
Rozbor
7. Rozbor 7.1 Technické funkce Návrh využívá existující technologie a výrobní procesy. Zároveň je do něj zabudované automatické sklíčidlo, které bylo nedávno zkonstruováno a použito v Austrálii. 7.2 Ergonomické funkce Celý design vycházel zejména z ergonomických požadavků. Došlo k splynutí dvou ovládacích prvků a to přepínače modů a přepínače nastavení maximálních kroutících momentů. Grafické označení ovládacích prvků je provedené výrazně, bílou barvou a dobře čitelným fontem. 7.3 Psychologické funkce Příjemným dojmem působí na uživatele organické tvarování. Barevné provedení působí neutrálně, profesionálně s barevně výraznými, ovládacími prvkami. 7.4 Estetické funkce Akumulátorová vrtačka je navržena, tak aby působila vyváženě, celistvě. 7.5 Ekonomické a sociální funkce Jedná se o hromadně vyráběné, profesionální nářadí o požadovaném výkonu poskytující 18V akumulátor, s využívající automatické sklíčidlo, z tohoto důvodu se prodejní cena bude pohybovat kolem 13 000 Kč.
Závěr
Závěr Tato bakalářská práce je zaměřena na design akumulátorové vrtačky. Snaží se přinést zajímavé tvarové, grafické řešení. Technologicky, tvarově a graficky zakomponovat automatické sklíčidlo. V průběhu modelování modelu došlo k mírné změně ve tvarování hlavní rukojeti z důvodů lepších ergonomických vlastností.
Seznam literatury [1]
Kapesní katalog 2007/2008 URL:
[citováno 2009-02-25]
[2]
Bow drill URL:< http://en.wikipedia.org/wiki/Bow_drill > [citováno 2009-02-16]
[3]
Gimlet (tool) URL:< http://en.wikipedia.org/wiki/Gimlet_(tool) > [citováno 2009-02-16]
[4]
POWER DRILLS URL:< http://www.industryplayer.com/licenceinfo.php?licid=012300 > [citováno 2009-02-16]
[5]
Brace (tool) URL: [citováno 2009-02-16]
[6]
Elektrische Handbohrmaschine SZ 3 URL: [citováno 2009-02-16]
[7]
Elektrische Handbohrmaschine Siemens & Halske URL: [citováno 2009-02-18]
[8]
The World‘s First Electric Drill URL: [citováno 2009-02-18]
[9]
COMPANY HISTORY URL: [citováno 2009-02-18]
[10]
Demain DT Series Cordless Drill URL: [citováno 2009-03-26]
Seznam literatury
[11]
Kapesní katalog 2007/2008 URL: [citováno 2009-03-26]
[12]
Model BDF452HW Part List URL: [citováno 2009-03-15]
[13]
Cordless Driver Drill BDF452 URL: [citováno 2008-03-15]
[14]
Cordless Drills are always on sale at justcordlessdrills.com! URL: [citováno 2008-04-15]
Neuvedené obrázky jsou dílem autora.
Seznam příloh
Seznam příloh Sumarizační plakát Model v měřítku 1:1 CD s kompletní bakalářskou prací
Přílohy
originální velikost 594 x 841 mm (A1)
