IKOT-PROJEKT

IKOT-PROJEKT
Kontaktdon till en el-bil
Utveckling och konstruktion av ett nytt, robust och säkert kontaktdon till
Volvos nya elbilar. Rapporten innehåller alla steg inom
produktutvecklingen från skapande av projektgrupp till färdig prototyp.
Grupp E4: Martin Carlsson, David Sandelind, Yvonne
Platon, Christian Liebert, Erik Andersson
Handledare: Gauti Asbjörnsson
2011-05-02
Grupp E4 IKOT-PROJEKT, CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
2011-05-02
SAMMANDRAG
Uppgiften i kursen Integrerad Konstruktion och Tillverkning gavs av Chalmers
Tekniska Högskola i samarbete med Volvo och bestod av att utveckla en ny
låsmekanism till ett kontaktdon till Volvos nya elbilsmodell, Volvo C30 Electric. I
händelse av en olycka eller service av bilen ska strömmen kunna brytas genom att ett
kontaktdon i anslutning till en strömdosa dras ut. Under utvecklingsprocessen av Volvo
C30 upplevdes att bortkopplingen tar för lång tid då kontaktdonet är fastsatt med en
skruv och kräver specialverktyg. För att uppfylla kraven på hög säkerhet söktes en ny
intuitiv lösning som inte kräver specialverktyg och som snabbt kan kopplas bort i
händelse av en olycka.
De avgränsningar som gjordes var att fokusera på enbart låsmekanismen och
kontaktdonet, utan att ändra på de elektriska komponenterna. Målet var att på ett
ingenjörsriktigt sätt genomföra produktutvecklingsarbetet från uppdrag till färdig
produkt i samarbete med uppdragsgivaren, Volvo.
Metoderna som användes under utvecklingsarbetet följde kurslitteraturen ”The Value
Model” och delades in i olika steg. En kartläggning av kundens röst gjordes genom att
definiera marknadssegmentet och identifiera alla röster som påverkar projektet; från
användare, återförsäljare, producenter och distributörer till återvinnare. Genom
intervjuer med Räddningstjänst upptäcktes ytterligare krav och önskemål på funktioner
i slutprodukten. För att inte ”återuppfinna hjulet” gjordes en noggrann analys av
konkurrenternas lösningar samt en genomgång av Patent och Registreringsverkets
register på låsmekanismer inom olika områden. På detta sätt kunde en referenslösning
tas fram och utvecklas enligt de produktutvecklingsmetoder som beskrivs i ”The Value
Model”. Efter noggranna analyser ansågs det framtagna konceptet ”Excenterlås”
uppfylla kraven på snabb bortkoppling av kontaktdonet, intuitiv användning och
säkerhet. Ett excenterlås förskjuter låsmekanismen från centrumaxeln, vilket ökar
kraften vid låsning. Excenterlås finns i många olika varianter och används flitigt inom
många industrier, vilket anses hålla ner kostnaden då denna kan beställas utifrån. Det
anses vara ett intuitivt lås som uppfyller de krav som kunder och användare ställt.
Grupp E4 IKOT-PROJEKT, CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
2011-05-02
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
Inledning .................................................................................................................................. 2
Metod och material .................................................... Fel! Bokmärket är inte definierat.
Material .................................................................. Fel! Bokmärket är inte definierat.
Erhållet material................................................ Fel! Bokmärket är inte definierat.
Metoder................................................................................................................................. 6
Resultat och diskussion ............................................ Fel! Bokmärket är inte definierat.
Kostnadsuppskattning och materialval ............................................................................. 9
Slutsats ...............................................................................................................................10
Grupp E4 IKOT-PROJEKT, CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
2011-05-02
INLEDNING
Under utvecklingsarbetet av Volvos elbilsprojekt C30 Electric upptäcktes problem vid
bortkoppling av spänningen, då specialverktyg krävdes tog bortkopplingen alldeles för
lång tid. Då en olycka inträffar är det viktigt att räddningspersonal kan koppla bort
spänningen inom enstaka sekunder för att snabbt kunna starta räddningsarbetet. Med
bakgrund till detta har Volvo gett i uppdrag att utveckla en mekanisk låsdonsmekanism
som har möjlighet att kopplas från och till vid exempelvis service av bilen eller olycka.
Låsdonsmekanismen skall ha direkt kontakt till huvudströmmen och elen i hela bilen
skall brytas omedelbart om kontakten kopplas ur. Tjänstemän som mekaniker och
brandmän har tidigare uttryckt problem med den gamla opraktiska lösningen som har
tagit för lång tid att avlägsna. Den nuvarande lösningen är stationär och därför har
Volvo valt att ställa nya krav för att behålla sitt rykte om att vara bäst på säkerhet. Den
gamla lösningen är otymplig och oflexibel men den har god potential och kan modifieras
till en godkänd lösning.
Vid första mötet med Volvo gavs en genomgång på kravspecifikationen och en
demonstrering på hur den nuvarande lösningen såg ut och vilka funktioner som skulle
utvecklas, hur de olika funktionerna viktades och vad som bör prioriteras. I bild 1.1
visas den gamla lösningen, mellan de två kablarna ses en torxskruv som var tvungen att
avlägsnas innan kontaktdonet kunde
kopplas loss. För detta behövdes ett
verktyg som räddningspersonal inte
alltid har tillgängligt. Dessutom
kunde bortkopplingen ta upp en till
minut. Med hänsyn till detta var det
naturligt att de höga
prioriteringarna låg på bland annat
att låsdonet ska kunna kopplas loss
med en hand, ta mindre än fem
sekunder att kopplas bort samt att
det ej ska behövas verktyg. Andra
önskvärda funktioner är att
lösningen ska vara intuitiv, smidig
samt ha någon sorts indikator (både
för korrekt mekanisk koppling och
spänning).
Bild 1.1 Ursprunglig lösning
För att få en bättre översikt delades systemet in i fyra delar: Låsmekanism, dekal,
indikator och isolering.
Låsmekanismen: Uppgiften är att låsa fast kontakten mot spänningsmottagaren. Den
ska fixera kontakten med tillräcklig kraft att glapp aldrig uppstår.
Dekalen: Syftet är att ge tillräckliga instruktioner för att en förstagångsanvändare ska
kunna hitta kontaktdonet samt förstå hur låsmekanismen fungerar.
Indikator: Kan delas upp i två olika indikatorer, en som indikerar korrekt mekanisk
2
Grupp E4 IKOT-PROJEKT, CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
2011-05-02
fastsättning av låsdonet samt en som indikerar pålagd spänning.
Isolering: Ska isolera kontaktdonet för att skydda användaren vid normal användning.
Organisation och avgränsningar
Vid projektstarten delades projektet upp i ansvarsområden genom användning utav ett
milstolpediagram, se bilaga 2. Fokus lades på att allt administrativt arbete skulle vara
klart innan produktutvecklingsarbetet startades. Fördelen med detta är att det
existerar klara riktlinjer om hur arbetet ska genomföras.
Avgränsningar sammanställdes inom ett antal olika områden:
Chalmers




Budgeten för hela projektet sattes till 3000 sek
Tillgång till två handledda tillfällen i prototyplabbet.
En grupp bestående av högst 5 medlemmar samt vägledning av en handledare.
Arbetet startade läsvecka 1 i januari månad och ska vara avslutat den 26 maj
2011.
Volvo


Ändringar fick inte göras på elektroniken utan endast det utvändiga.
Låsmekanismen fick inte flyttas vilket gav en del dimensionsbegränsningar.
För att kunna inhämta lämplig användbar information ställdes ett antal
frågeställningar:
Vilka kommer i kontakt med produkten? De som främst kommer i kontakt med
produkten är inte bilens ägare utan räddningstjänst och mekaniker. Det är alltså deras
krav och önskemål som är viktiga att uppfylla. Bland dem som kommer i kontakt med
produkten finns även Volvo då de är projektets uppdragsgivare.
Finns det redan en existerande lösning på en annan bilmodell? Genom studiebesök hos
olika bilhandlare undersöktes de olika existerande lösningar på samma funktion, att
bryta spänningen.
Kan man använda sig av någon annan existerande produkt för att lösa problemet?
Genom att gå igenom patent- och registreringsverket inhämtades information från
andra marknadssegment som skulle kunna vara användbara.
Informationen sammanställdes och bearbetades på ett systematiskt sätt, mer om detta i
nästkommande kapitel Metod och material.
3
Grupp E4 IKOT-PROJEKT, CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
2011-05-02
METOD OCH MATERIAL
Material
Vid första kontakten med Volvos representanter Rickard Arvidsson och Bengt Axelsson
tilldelades projektgruppen alla de krav som Volvo ställde på sin produkt. De hade tagit
med en prototypbil och det gavs tid till undersökning av usprungslösningen och
komponenterna kring denna. Med denna information fick vi reda på vad som kunde
ändras och vad som inte fick inkräktas på. Vid ett senare tillfälle fick gruppen möjlighet
att träffa Rickard igen för att ta upp frågor och funderingar som dykt upp. Då
informationen inte ansågs tillräcklig för att skapa en komplett produkt samlade
gruppen in material från andra källor. Denna erhölls bland annat genom kontakt med
alla relevanta led i produktens livscykel som till t.ex. räddningstjänst. Vidare
genomfördes även en grundlig inventering av befintliga produkter och patent. Meningen
med detta var att undvika onödigt utvecklingsarbete av en produkt som redan existerar
på marknaden. Nedan följer en genomgång av materialet som erhållits från respektive
källor.
Erhållet material
Volvo
De krav som tilldelades vid första kontakten bestod av en kravspecifikation, se tabell
2.1. En CAD-modell tilldelades också vilket tas upp mer noggrant senare.
Det vi kan se sammanfattningsvis är att målet ska vara att skapa en produkt med
minimala dimensioner samt med maximal säkerhet och användarvänlighet. Fokus skall
ligga på att användaren intuitivt ska kunna förstå och använda produkten utan
instruktion även om det från intervjun framgick att det ändå ska existera en tydlig och
instruerande dekal för att undvika missöden.
Kravspecifikation
Krav
Säker intuitiv och enkel lösning
Kostnad
Vikt
Robust
Platskrävande höjd
Platskrävande bredd
Platskrävande längdled
Eventuellt interface till
brandman/makaniker skall vara isolerat
(1kV)
Kunna tas bort utan att använda verktyg
Kunna tas bort genom att bara använda en
hand
Kunna tas bort på <5 sek
Tabell 2.1
Vikt
5
4
3
5
5
1
3
5
5
5
5
4
Grupp E4 IKOT-PROJEKT, CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
2011-05-02
Vid intervjun med Rickard fick vi även möjlighet att ställa frågor angående den
existerande lösningen, se bild 2.1. Detta gav utökad förståelse till varför kraven
existerar och är viktade som de är. Tillfället att analysera den existerande lösningen på
plats gav oss även möjlighet att sätta upp begränsningar på hur en ny konstruktion
skulle kunna se ut. De kommande ändringarna ifrån denna konstruktion som var
tvunget att ta i beaktande var att kontakten till den svarta kabeln ovanför de brandgula
kablarna skulle flyttas för att istället sitta emellan dessa. Detta medförde att utrymmet
mellan kablarna inte kunde utnyttjas.
Bild 2.1 Ursprunglig lösning
Vid intervjun erhölls även information om en önskad indikator för att visa användaren
ifall spänning är pålagd samt en indikator för att visa när kontakten är korrekt låst.
Dessa önskemål var dock inga krav utan skulle appliceras ifall det inte blev för
komplicerat eller kostsamt.
I CAD-modellen från Volvo gavs möjligheten att få exakta mått och något att bygga vår
egen CAD-modell runt, se bild 2.2. Då det endast var kontaktdonet, se del 2 bild 2.2, som
erhölls tvingades gruppen att anta vissa dimensioner på spänningsmottagaren, se del 1
bild 2.2 för att kunna skapa en fungerande modell.
Bild 2.2 CAD-modell på framtaget koncept
5
Grupp E4 IKOT-PROJEKT, CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
2011-05-02
Räddningstjänst
För att utöka informationsunderlaget kontaktades Håkan Johansson, Räddningsledare
Rsg Kungsbacka. Detta genomfördes eftersom den främsta anledningen till att Volvo
behövde en ny konstruktion var att den befintliga inte gick att frikoppla snabbt vid
olycka. Den informationen som delgavs var mycket lik informationen från Volvo förutom
på en punkt. Istället för att bara ha ett sätt att bryta strömmen skulle det finnas två
stycken i skilda delar av bilen, då den ena kan bli otillgänglig efter en krock. Han
påpekade även vikten av att det skulle vara extremt enkelt att förstå hur
konstruktionen fungerade då det inte finns tid att tänka efter vid en olycka.
Marknadsundersökning
För att undvika onödigt utvecklingsarbete undersöktes om det fanns befintliga lösningar
eller dellösningar som kunde användas till konstruktionen. Efter genomförd
undersökning valdes att hämta inspiration från det lås som sitter på skidpjäxor då detta
lås är robust, intuitiv och kan snabbt kopplas bort med en hand.
För att undersöka konkurrenternas sätt att bryta strömmen i befintliga el-/hybridbilar,
gjordes studiebesök hos bilhandlare. Det som noterades var att en standardlösning
saknades, alla genomgångna modeller hade olika sätt att bryta strömmen.
Metoder
För att öka förståelsen av produkten delades problemet upp i delsystem som integrerar
med varandra på olika sätt. Fördelen att arbeta på detta sätt är att fokus lades på att
lösa det ursprungliga problemet till varje delsystem och kombinera dessa, istället för att
skapa ett färdigt koncept direkt.
Lösningar till varje delproblem togs fram genom brainstorming och de tidigare nämnda
marknadsundersökningarna. För att få fram färdiga koncept kombinerades alla olika
dellösningar med varandra, på så sätt togs ett 20-tal koncept fram. För att kunna välja
ut det bästa konceptet jämfördes alla koncept mot en referenslösning i ett antal
matriser:



Elimineringsmatris, se bilaga 3 – I denna matris eliminerades de koncept som
inte uppfyllde alla krav som kravspecifikationen ställde på produkten.
Pughmatris, se bilaga 4 – I Pughmatrisen ställdes alla kvarvarande koncept mot
varandra för att se vilka koncept som var bäst på olika delfunktioner.
Viktad Pughmatris, se bilaga 5 – Denna matris fungerar på samma sätt som den
vanliga Pugh-matrisen med den skillnaden att denna är viktad vilket medför att
koncept som är starka inom viktiga delfunktioner får bättre betyg.
Efter genomförda matriser återstod ett vinnande koncept. I detta skede fokuserades det
på att arbeta fram små förbättringar på detta koncept. För att systematisera
genomförandet användes ett antal olika steg där produkten analyseras ur olika
synvinklar. Dessa kallas för re-stegen:
Re-use: En systematisk process för att identifiera starka och svaga sidor av referensen.
Komponenter som har hög funktionalitet, är billiga och ej bundna till några oönskade
funktioner kan återanvändas.
Re-inforce: En systematisk process för att introducera undersystem och därmed öka
kvalitén eller skapa nya funktioner och minska oönskade funktioner.
6
Grupp E4 IKOT-PROJEKT, CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
2011-05-02
Re-duce: En systematisk process för att ta bort delfunktioner eller komponenter för att
öka kundvärdet eller skära ner kostnaden, utan att för den delen minska på
funktionaliteten.
Re-fine: En systematisk process för att optimera och trimma huvud- och delfunktioner
för att göra ett koncept ännu bättre.
Efter dessa steg kunde det slutgiltiga konceptet modelleras i CAD, se bild 2.2. Denna
CAD-modell användes till att skapa ritningar som underlag till prototypbygget samt att
göra datorbaserade funktionsanalyser.
7
Grupp E4 IKOT-PROJEKT, CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
2011-05-02
RESULTAT OCH DISKUSSION
Syftet med hela projektet var att skapa ett enkelt och smidigt sätt att låsa fast samt
lossa ett kontaktdon från strömmatningen i en Volvo C30 Electric. Problemet med den
gamla lösningen var att den var mycket oflexibel i samband med olyckor och service då
man vill avlägsna kontakten på en så kort tid som möjligt, speciellt i
olyckssammanhang. Har projektet genererat en lösning för detta?
Eftersom det i dagsläget redan finns liknande lösningar hos konkurrenter har
undersökningar gjorts hos andra biltillverkare. Dessa undersökningar har bidragit till
olika idéer till grundfunktionen samt delfunktioner som produkten skall uppfylla.
Arbetsmetoden i kurslitteraturen The value model har använts vilket har bidragit till
att framtagningen av produkten blivit så effektiv och praktiskt som möjligt.
Det valda konceptet som tagits fram består av en mekanisk låsmekanism som enkelt
kan låsas fast med hjälp av en hake på strömdosan, se bild 3.1. Konceptet medför en
enkel mekanisk lösning som är billig och intuitiv. Kraven som sattes upp var att till- och
frånkoppling skall ske på max fem sekunder, kunna utföras med en hand samt att inga
verktyg ska behövas.
Bild 3.1
Lösningen till problemet är att ett excenterlås svetsas fast ovanpå kontaktdonet som då
ska låsas fast med hjälp av en hake på strömdosan som nämnts ovan. För att
excenterlåset skall sitta fast ordentligt har formen på kontaktdonet ändrats så att
toppen är plan och aningen upphöjd. Excenterlåset bidrar även till en förspänning vilket
minimerar vibrationer och utmattning. I projektets gång stöttes ännu ett problem på
vilket var att kontakten kan vara trög att få loss. Detta problem löstes med att
modifiera haken till en ”dubbelhake”, se pil i bild 3.1. Detta gör att excenterlåsets
hävarm kan utnyttjas vid bortkoppling till att trycka ut kontakten, se bild 3.3.
Tillverknings- och underhållskostnaderna kommer att vara låga tack vare den låga
komplexiteten.
8
Grupp E4 IKOT-PROJEKT, CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
2011-05-02
För att kunna göra fysiska prover och analyser tillverkades en prototyp. Som underlag
för detta skapades först ritningar på alla komponenter, detta gjordes utifrån
CAD-modellen. Prototypen valdes att tillverkas utav andra material än den slutgiltiga
produkten, detta främst på grund av ekonomiska skäl. Detta gäller inte excenterlåset
som köptes in i det utförande som den slutgiltigt ska ha.
[Resultat från tester och hållfasthetsberäkningar är vid
skrivande stund inte klara, dessa kommer att kompletteras
med senare.]
Kostnadsuppskattning och materialval
För underlag till kostnadsuppskattning och prototypbygge skapades ritningar samt en
CAD-modell.
Ritningar finns endast på de komponenter som vi kommer att lägga till på Volvos
ursprungliga lösning: Bottenplatta att fästa låset på samt excenterlås och krok.
Ritningar kan ses i bilaga 1.
Cad-modell
Cad-modellen är gjord i Inventor och är skapad runt modellen på ursprungskontakten
som gjorts av Volvo, se den gulfärgade komponenten i bild 3.1 samt 3.2.
Bild 3.2
Bild 3.3
Materialen som valdes var gjutjärn till samtliga komponenter förutom excenterlåset,
detta kommer att köpas in externt och kommer att vara tillverkat av kolstål alt.
Rostfritt stål. Varför gjutjärn valdes till övriga komponenter var eftersom de ska gjutas
då detta blir billigare. Det totala priset för en komplett produkt har enligt SWIFTmetoden uppskattats till 94 sek, se bilaga 6.
9
Grupp E4 IKOT-PROJEKT, CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
2011-05-02
Bild 3.4 Dekal
Slutsatser
Det slutgiltiga resultatet kan ses i bild 3.1 och 3.2 Konceptet löser alla delproblem på ett
bra sätt. Framförallt löser det huvudfunktionen på ett bra sätt, nämligen att
användaren ska kunna koppla loss kontakten snabbt med en hand. Det löser också ett
problem som uppkom mitt under projektets gång, nämligen att kontakten är så pass
trög att dra ut att bara momentet kan utföras med två händer. Med denna lösning så
finns en extra ”vägg” på kroken där excenterlåset hakar fast. Detta gör att när man
låser upp excenterlåset kan man trycka fram låsets handtag lite längre, se bild 3.3,
detta ger en hög kraft på grund av hävarmen vilket underlättar bortkopplingen
avsevärt. Eftersom materialet kommer att vara mestadels gjutjärn så kommer
korrosionsskyddet inte att vara optimalt, men miljön uppskattas vara tillräckligt bra att
produkten inte kommer att korrodera sönder under dess livstid. Det kommer även att
finnas en dekal, se bild 3.4, som upplyser användaren om dels den höga spänning som
finns i kablarna och dessutom om hur denna ska gå tillväga för att använda produkten.
I inledningen av denna rapport togs också upp att produkten skulle kunna ha två olika
indikatorer. En som visar om spänningen är pålagd och en som visar om kontakten är
korrekt fastkopplad. Indikatorn som skulle visa pålagd spänning lades ner helt, dels då
denna ansågs oekonomisk att ha med och dels för att det är osäkert att förlita sig på den
när det gäller så höga spänningar då risken för fel alltid finns. Däremot byggdes
indikatorn som visar korrekt påkopplad kontakt in i excenterlåset. Hävarmen visar här
om kontakten är påkopplad korrekt eller ej.
För att förbättra produkten i framtiden kan man gå ner i hållfasthetsklass. Om man gör
detta sparar man resurser, minskar miljöpåverkan och förbättrar ekonomin. Det skulle
även vara möjligt att minska storleken på excenterlåset, minska tjockleken och höjden
på kontaktdonet eller byta till ett lättare eller billigare material. Om en framtida
produkt önskas utvecklas behöver inte projektet startas om från början med
konceptgenerering utan det skulle räcka med en optimering.
10
Grupp E4 IKOT-PROJEKT, CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
2011-05-02
KÄLLFÖRTECKNING
Webbsidor:
Kurshemsida
https://pingpong.gate.chalmers.se/courseId/853/launchCourse.do
2010-05-16
Svenska patentdatabasen
http://www.prv.se/spd/search?lang=sv&tab=1
2010-02-15
Litteratur:
Burenius,J & Lindstedt,P. 2006 . The Value Modell. Nimba AB
Swift, K.G. & Booker, J.D. 2003. Process Selection. ELSEVIER SCIENCE &
TECHNOLOGY
11
Grupp E4 IKOT-PROJEKT, CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
2011-05-02
BILAGA 1 RITNINGAR
12
Grupp E4 IKOT-PROJEKT, CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
2011-05-02
BILAGA 2 MILSTOLPEPLAN
13
Grupp E4 IKOT-PROJEKT, CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
2011-05-02
BILAGA 3 ELIMINERINGSMATRIS
14
Grupp E4 IKOT-PROJEKT, CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
2011-05-02
BILAGA 4 PUGHMATRIS
15
Grupp E4 IKOT-PROJEKT, CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
2011-05-02
BILAGA 5 VIKTAD PUGH-MATRIS
16
Grupp E4 IKOT-PROJEKT, CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
2011-05-02
BILAGA 6 KOSTNADSBERÄKNING
17