Elektrisk Minimotorcykel Kandidatarbete PPUX03-15-06 Simon Björkman, Lucia El-Achkar, Daniel Johansson, Isabella Lindholm, Emma Sjöstrand, Nils Svensson Produkt- och produktionsutveckling CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Göteborg, Sverige 2015 Kandidatarbete PPUX03-15-06 Elektrisk minimotorcykel Slutrapport Simon Björkman Lucia El-Achkar Daniel Johansson Isabella Lindholm Emma Sjöstrand Nils Svensson Produkt- och produktionsutveckling Chalmers Tekniska Högskola Göteborg, Sverige 2015 Konstruktion och tillverkning av en elektrisk minimotorcykel Slutrapport © Simon Björkman, 2015. © Lucia El-Achkar, 2015. © Daniel Johansson, 2015. © Isabella Lindholm, 2015. © Emma Sjöstrand, 2015. © Nils Svensson, 2015. Examinator: Lars Almefelt, Produkt- och produktionsutveckling Handledare & uppdragsgivare: Reine Nohlborg, Produkt- och produktionsutveckling Handledare & uppdragsgivare: Göran Stigler, Produkt- och produktionsutveckling Kandidatarbete PPUX03-15-06 Produkt- och produktionsutveckling Chalmers University of Technology SE-412 96 Göteborg Cover: ©Daniel Johansson Typeset in LATEX Göteborg, Sverige 2015 iv Abstract The content of this report concerns the design and construction of an electrically driven mini motorcycle. The main purpose of this project has been to investigate advantages and disadvantages of designing prototypes using water jet cutting and sheet metal bending as well as enhance awareness of electrical vehicles. This has been done at the work shop, Prototyplaboratoriet, located at Chalmers University of Technology. Welding can be both expensive and complex, and therefore the mini motorcycle has been constructed with a minimum number of welds. The main goal has been to demonstrate the previously mentioned manufacturing techniques. The team has through different product development methods such as Kesselring-, Pugh-, elimination- and morphological matrixes constructed a frame, a mechanical and an electrical system. A functional mini motorcycle, with an aluminum body, has been completely constructed in bent sheet metal with a BLDC motor and a control system. By the end of the project the minimotorcycle has been approved as a demontrator for Prototyplaboratoriet. Sammandrag Innehållet i denna rapport behandlar konstruktion och tillverkning av en elektriskt driven minimotorcykel. Det huvudsakliga syftet med projektet har varit att under- söka för- och nackdelar med att konstruera produkter i bockad plåt, samt att stärka Chalmers kultur inom eldrivna fordon. Svetsning kan vara både dyrt och komplice- rat och därför har minimotorcykeln konstruerats med ett minimalt antal svetsfogar. Detta har gjorts i Prototyplaboratoriet på Chalmers Tekniska Högskola med hjälp av en vattenskärare och en kantpress. Huvudmålet har varit att demonstrera de nämnda tillverkningsteknikerna. Gruppen har genom olika produktutvecklingsmetoder såsom Kesselring-, Pugh-, eliminerings- och morfologiska matriser konstruerat en ram, ett mekaniskt och ett elektriskt system. En fungerande minimotorcykel med en aluminiumram, helt tillver- kad i bockad plåt utan svetsfogar har kombinerats med bland annat en BLDC-motor och en motordrivare. Denna har i slutet av projektet godkänts som demontrator för Prototyplaboratoriets vattenskärare och kantpress. Nyckelord: elektrisk minimotorcykel, minimoto, kantpressning, vattenskärning, kon- struktion, produktutveckling, eldrivna fordon Förord Detta kandidatarbete har utförts i syfte att uppmärksamma Chalmers Prototypla- boratoriums mångfasetterade möjligheter till praktiskt utförande av teoretiska kun- skaper. Syftet har varit att testa tekniker för vattenskärning och bockning med mål att tillverka en fungerade prototyp av en eldriven minimotorcykel som ska fungera som demonstrator för de nämnda tillverkningsteknikerna. En elmotor och tillhöran- de elsystem används för att på sikt kunna stärka Chalmers kultur inom eldrivna fordon. Särskilda tack riktas till examinator Lars Almefelt samt handledare Göran Stig- ler och Reine Nohlborg som handlett kandidatgruppen genom arbetet. Övriga tack riktas till institutionen för Energi och miljö på Chalmers för tips om de elektriska delarna av minimotorcykeln och Benjamin Vedder som har utvecklat motordrivaren samt hjälpt gruppen med implementering. PPUX03-15-06, Göteborg, Maj 2015 Innehåll Figurer x Tabeller xii 1 Inledning 1 1.1 Bakgrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Syfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Mål & problemformulering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.4 Avgränsningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.5 Metod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 Teori 5 2.1 Tillverkningsteknik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1 Vattenskärning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.2 Kantpressning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 Teori mekaniskt system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.3 Teori elektriskt system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.3.1 Motorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3.2 Motordrivare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3.3 Energikälla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3 Metod 13 3.1 Kompetensuppbyggnad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.2 Funktionsanalys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.3 Kravspecifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.4 Konceptval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.4.1 Beskrivning av matriser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.4.1.1 Morfologisk matris . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.4.1.2 Elimineringsmatris . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.4.1.3 Pugh-matris . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.4.1.4 Kesselring-matris . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.5 Konstruktion & tillverkning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.6 Testning & validering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.7 Demonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 vii Innehåll 4 Kravspecifikation 19 4.1 Funktionsanalys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 4.2 Resultat av kravspecifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 5 Konceptval 23 5.1 Val av ramkoncept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 5.1.1 Pugh-matris för ramkoncepten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 5.1.2 Kesselring-matris för ramkoncepten . . . . . . . . . . . . . . . 25 5.2 Val av mekaniskt system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 5.2.1 Morfologisk matris för mekaniska systemet . . . . . . . . . . . 26 5.2.2 Elimineringsmatris för mekaniska systemet . . . . . . . . . . . 27 5.2.3 Pugh-matris för mekaniska systemet . . . . . . . . . . . . . . 28 5.2.4 Kesselring-matris för mekaniska systemet . . . . . . . . . . . . 29 5.3 Val av elsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 5.3.1 Morfologisk matris för elsystemet . . . . . . . . . . . . . . . . 30 5.3.2 Elimineringsmatris för elsystemet . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.3.3 Pugh-matris för elsystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 5.3.4 Kesselring-matris för elsystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 5.3.5 Konceptval av batteri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 5.3.5.1 Elimineringsmatris för batterier . . . . . . . . . . . . 34 5.4 Val av hela systemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 6 Konstruktion & prototyptillverkning 37 6.1 Konstruktion av ram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 6.2 Konstruktion av mekaniskt system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 6.2.1 Bromsar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 6.2.2 Hjul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 6.2.3 Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 6.2.4 Framgaffel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 6.2.5 Kylsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 6.2.6 Fjädring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 6.2.7 Sadel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 6.2.8 Övriga komponenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 6.3 Konstruktion av elsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 6.3.1 Dimensionering och val av motor . . . . . . . . . . . . . . . . 43 6.3.2 Styrning av motorn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 6.3.3 Dimensionering av batterier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 6.3.4 Säkerhet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 6.4 Placering av komponenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 7 Slutprodukt & testning 53 7.1 Testning & validering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 8 Diskussion 57 8.1 Diskussion kring tillverkningsmetoderna . . . . . . . . . . . . . . . . 57 8.2 Diskussion kring elsystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 8.3 Diskussion kring testning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 viii Innehåll 8.4 Vidareutveckling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 8.4.1 Vidareutveckling av konstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . 59 8.4.2 Vidareutveckling av åtkomlighet . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 8.4.3 Vidareutveckling av montering . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 8.4.4 Vidareutveckling av elsystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 8.4.5 Skydd av elektriska komponenter . . . . . . . . . . . . . . . . 60 9 Slutsats 61 Bibliography 63 A Appendix: Beskrivning av kravspecifikationens ingående element I B Appendix: Ramkoncept III B.1 Lådkoncept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III B.1.1 Rätblock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III B.1.2 Osten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV B.1.3 Sporthoj med flygplansvinge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV B.1.4 Vinklad låda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V B.1.5 Delkoncept: Inbyggd drivlina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI B.2 Balkkoncept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI B.2.1 Klassisk raceminimoto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII B.2.2 Upphängning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII B.2.3 Enkel cykel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX B.2.4 Eka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X B.2.5 Ram med bottenplatta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X B.2.6 Cykel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI B.2.7 Moped . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XII B.3 Kombinerade balk- och ramkoncept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XII B.3.1 Motocross . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII B.3.2 Sporthoj med balkar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII B.3.3 Triangellåda med I-balk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIV B.3.4 Motocross med hål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIV B.3.5 Motocross med taggar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV B.3.6 Trekanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVI C Appendix: Beskrivning av kriterier för Pugh- och Kesselringmatri- serna för ramkoncept XVII D Appendix: Beskrivning av kriterierna för morfologisk matris hos mekaniska systemet XIX E Appendix: Beskrivning av kriterierna för morfologisk matris hos elsystemet XXV F Appendix: Beräkning av krävt bromsmoment XXIX G Appendix: Beräkningar för dimensionering och val av motor XXXI ix Innehåll H Appendix: Detaljritning XXXV x Figurer 2.1 Spänningar och återfjädring[7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2 Schematisk bild av Cone900[8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.3 Restriktioner vid bockning av U-profil . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.4 Restriktioner vid dubbelbockning i Cone900 . . . . . . . . . . . . . . 7 2.5 Illustrerande bild av gaffelvinkel och försprång[10] . . . . . . . . . . . 8 2.6 Blockschema över elektriskt drivet fordon . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.7 Elmotorns uppbyggnad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.8 Schema med några av de vanligaste typerna av elmotorer . . . . . . . 11 2.9 Uppbyggnad av en battericell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.1 Processdiagram för projektets arbetsgång . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.2 Processdiagram för konceptvalsmetoden . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.3 Systemstruktur för minimotorcykeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4.1 Funktionsanalys för minimotorcykeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 5.1 Skiss av triangellåda med I-balk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 5.2 Val av batteri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 6.1 Spänningskoncentrationer vid bakaxeln och sadeln . . . . . . . . . . . 38 6.2 Kraftigt förstärkt utböjning kring den kryssformade förstärkningen . 38 6.3 Spänningar i ramen kring den kryssformade förstärkningen . . . . . . 38 6.4 Ramens utformning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 6.5 a) Effektivspänning i framgaffeln b) Kraftigt förstärkt utböjning i framgaffeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 6.6 Fästanordning för styrpinne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 6.7 Sadel med avtagbar lucka. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 6.8 Krafter som påverkar minimotorcykeln[12] . . . . . . . . . . . . . . . 44 6.9 Turnigy RotoMax 50 cc Size Brushless Outrunner Motor . . . . . . . 45 6.10 Motordrivaren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 6.11 Gashandtaget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 6.12 Huvudströmbrytare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 6.13 Automatsäkring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 6.14 Kretsschema för hur säkringarna sitter placerade i kretsen . . . . . . 50 6.15 Montering och demontering av batterier . . . . . . . . . . . . . . . . 50 6.16 Montering och demontering av motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 xi Figurer 7.1 Hela den slutgiltiga prototypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 7.2 Framgaffel på den slutgiltiga prototypen . . . . . . . . . . . . . . . . 54 7.3 Sprängbild av den slutgiltiga modellen . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 7.4 Validering av kravspecifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 B.1 Ramkoncept Rätblock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III B.2 Ramkoncept Osten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV B.3 Ramkoncept Sporthoj med flygplansvinge . . . . . . . . . . . . . . . . IV B.4 Ramkoncept Vinklad låda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V B.5 Delkoncept Inbyggd drivlina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI B.6 Ramkoncept Klassisk raceminimoto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII B.7 Sammanfogning av balkar hos koncept Klassisk raceminimoto . . . . VII B.8 Ramkoncept Upphängning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII B.9 Ramkoncept Enkel cykel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX B.10 Ramkoncept Eka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X B.11 Ramkoncept Ram med bottenplatta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X B.12 Ramkoncept Cykel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI B.13 Ramkoncept Moped . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XII B.14 Ramkoncept Motocross . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII B.15 Ramkoncept Sporthoj med balkar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII B.16 Ramkoncept Triangellåda med I-balk . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIV B.17 Ramkoncept Motocross med hål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIV B.18 Ramkoncept Motocross med taggar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV B.19 Ramkoncept Triangel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVI xii Tabeller 4.1 Kravspecifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 5.1 Pugh-matris för ramkoncepten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 5.2 Kesselring-matris för ramkoncepten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 5.3 Morfologisk matris för det mekaniska systemet . . . . . . . . . . . . . 27 5.4 Resultat av den morfologiska matrisen för det mekaniska systemet . . 27 5.5 Elimineringsmatris för det mekaniska systemet . . . . . . . . . . . . . 28 5.6 Pugh-matris för det mekaniska systemet . . . . . . . . . . . . . . . . 29 5.7 Kesselring-matris för det mekaniska systemet . . . . . . . . . . . . . 30 5.8 Morfologisk matris för elsystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.9 Resultat för den morfologiska matrisen för elsystemet . . . . . . . . . 31 5.10 Elimineringsmatris för elsystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 5.11 Pugh-matris för elsystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 5.12 Kesselring-matris för elsystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 5.13 Elimineringsmatris för batterierna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 xiii Tabeller xiv Förkortningslista AC Alternate Current - Växelström Ah Ampere hour - Amperetimme BLDC Brushless Direct Current - Borstlös likströmsmotor cc Cubic centimeters - Kubikcentimeter DC Direct Current - Likström EMK Elektromotorisk kraft MMK Magnetomotorisk kraft PM Permanentmagnet PMSM Permanent Magnet Synchronus Machine - Permanentmagnetiserad Syn- kronmotor RC Radio control - Radiostyrd rpm Rotations per minute - Rotationer per minut Wh Watt hour - Wattimme xv Tabeller xvi 1 Inledning Det inledande kapitlet introducerar projektets bakgrund, syfte och mål. En kort beskrivning av metod och relevant bakgrundsfakta redogörs tillsammans med av- gränsningar för projektet. 1.1 Bakgrund En minimotorcykel, även kallad minimoto, är en liten roadracing-motorcykel som är cirka 100 cm lång, 50 cm hög och väger cirka 25 kg. De har traditionellt en förbränningsmotor på cirka 50 cc och kan uppnå en toppfart på cirka 50 km/h. På grund av motorcykelns relativt enkla konstruktion lockar det många att själva tillverka dem. Ett problem är dock att ram och andra delar ofta svetsas, vilken är en tidskrävande process. Chalmers Prototyplaboratorium har köpt in en ny kantpress och vattenskärningsmaskin som ska användas till att forma och skära plåt. Minimoto blev en populär motorcykel att tävla med i Italien för cirka 15 år sedan och är idag en vanlig sport inom roadracing. De svenska tävlingarna i minimoto arran- geras idag i samarbete med Svenska Motorcykel- och Snöskoterförbundet, Svemo[1]. Det är även Svemo som tar fram regler och krav för hur minimoton måste se ut vid tävling. En övervägande del av alla motorcyklar och fordon använder fortfarande förbrän- ningsmotorer. Elektriskt drivna fordon blir dock allt vanligare inom den kommersi- ella industrin, där man kan se ökad försäljning av elektriskt drivna mopeder, cyklar och bilar[2]. Teknologin inom detta område blir allt mer sofistikerad och eldrivna for- don börjar kunna konkurrera mot förbränningsfordon med avseende på acceleration, fart, hållbarhet och pris[3]. En elmotor avger inga direkta utsläpp och har en högre verkningsgrad i förhållande till förbränningsmotorn. Alternativen för energilagring är dock dyra vilket hämmar utbredningen av elfordon. Som en del av Chalmers lång- siktiga arbete för hållbarhet bedrivs utveckling av elektriskt drivna fordon. Valet av elektrisk drivning på minimotorcykeln står därför i linje med Chalmers framtidsvi- sion inom området. 1 1. Inledning 1.2 Syfte Projektet har huvudsakligen två syften. Det första är att undersöka för- och nack- delar med att konstruera produkter i bockad plåt. Med hjälp av kantpressning, vattenskärning och nitning ska ett alternativ till svetsning utredas. Det andra syftet är att stärka Chalmers kultur inom eldrivna fordon. 1.3 Mål & problemformulering Projektets huvudsakliga mål är att konstruera och bygga en fungerande prototyp av en eldriven minimotorcykel. Minimotorcykeln ska byggas i Chalmers Prototyplabo- ratorium och fungera som en demonstrator för Prototyplaboratoriets vattenskärare och kantpress. Mer specifikt ska motorcykelns ram tillverkas av vattenskuren tunnplåt som sedan ska bockas och sammanfogas utan svetsning. Ramen ska vara välkonstruerad där hållfasthet och layout måste beaktas, samtidigt som enkelhet i konstruktionen ef- tersträvas. En drivlina måste konstrueras där ett krav från uppdragsgivaren är att denna ska vara eldriven. Väsentliga problem är att hitta en lämplig motor med rätt dimen- sionering för drivning av en minimotorcykel, förmåga att kunna styra och reglera denna samt att finna en tillfredsställande energikälla. Här bör även elsäkerhet tas i beaktning. Ytterligare ett mål är att minimotorcykeln även uppfyller framtagen kravspecifika- tion. Detta innebär bland annat att fordonet ska ha väl fungerande bromsar och kunna manövreras på ett tillfredsställande sätt. Se kapitel 4.2, kravspecifikation, för full lista på krav. Följande målformulering definierar projektet: “Under vårterminen kommer en fullständig prototyp av en eldriven minimotorcykel tas fram, vars ram ska visa vattenskärarens och kantpressens potential, med slut- datum den 28:e maj. Slutprodukten skall demonstrera en minimotorcykel med ett robust elsystem och visa på möjligheterna att tillverka prototyper i Chalmers Proto- typlaboratorium” 1.4 Avgränsningar Ett antal avgränsningar har tagits fram för att förtydliga ramverket för projektet. En relevant avgränsning berör egentillverkning av komponenter till minimotorcykeln då endast 400 arbetstimmar per person fanns att disponera. För att spara tid kom därför inte alla komponenter att egentillverkas. Således kom batteri, elektronik, mo- tor, gashandtag, hjul, bromssystem samt drivsystem att köpas in. Fokus låg istället på tillverkning av ram och chassi samt att ta fram ett välfungerande elsystem. För att rymmas inom tidsramen kom endast en fullskalig prototyp av det valda kon- 2 1. Inledning ceptet att byggas. Eftersom motorcykeln ska fungera som en demonstrator behövde tillverkningen av motorcykeln ej vara anpassad för massproduktion. Prototypen tillverkades i Chalmers Prototyplaboratorium. Här uppkom vissa fysis- ka restriktioner, främst kantpressens och vattenskärarens kapacitet. Kantpressens begränsningar är geometriberoende och hur samt i vilken ordning plåten bockas är avgörande för dess begränsningar. Detta medförde att många tester har utförts i Prototyplaboratoriet. Bredden på en plåt som kan bockas i Prototyplaboratoriets maskin, Cone 900, begränsas till 868 mm. Ytterligare bockrestriktioner kan utlä- sas i avsnitt 2.1.2. Vattenskäraren har en areabegränsning på 1000 × 1000 mm och cirka 300 mm i tjocklek. Om inga goda skäl fanns skulle enbart en sorts plåt, med avseende på både material och tjocklek, användas. Arbetstider för prototyptillverkning i verkstaden var begränsat till specifika tillfällen utsatta för kandidatarbeten. Det fanns ingen uttalad begränsning för projektets budget men det skall eftersträvas att hålla kostnader nere i största möjliga mån. 1.5 Metod För att genomföra projektet har ett antal metoder för produktutveckling applicerats ur boken The Value Model. De metoder som använts är bland annat morfologisk- , eliminerings-, Pugh- samt Kesselringmatriser för att gynna en strukturerad och kreativ produktutveckling[4]. En litteraturstudie om elektriskt drivna fordon har genomförts för att avgöra vilka komponenter som är lämpliga för minimotorcykeln samt ge en djupare förståelse av dessa. Detta har tillsammans med beräkningar i Matlab, konstruktion i CAD, simuleringar i Ansys och tillverkning av prototyp utgjort majoriteten av projektet. Prototypen har kontinuerligt testats genom olika delprototyper som använts för vidareutveckling. För vidare fördjupning av metoden, se avsnitt 3. 3 1. Inledning 4 2 Teori Teoriavsnittet behandlar information gällande tillverkningsteknik av vattenskärning och kantpressning. Centrala delar rörande en minimotorcykels traditionella kon- struktion och komponentuppbyggnad berörs i avsnitt 2.2. Teori bakom hur ett el- drivet fordon och dess elektriska komponenter fungerar introduceras i avsnitt 2.3. 2.1 Tillverkningsteknik I projektet används främst två tekniker för tillverkning av ram och mekaniska detal- jer. Dessa tekniker utgörs av vattenskärning och kantpressning och förklaras nedan. 2.1.1 Vattenskärning Ramen i detta projekt tillverkades i tunnplåt. En vattenskärare kan användas för att skära ut väldigt komplexa former i både plåt, tjockare metallstycken, keramer, polymerer och många andra material. Vattenskärning fungerar genom att en bland- ning av vatten och finkornig sand forceras igenom ett litet munstycke, vilket ger upphov till en stråle med ett tryck från ungefär 2400 bar[5]. Med denna vattenstråle är det möjligt att skära ut profiler med hög detaljnivå i upp till 300 mm tjocka metallbitar. Med en modern vattenskärare kan digitala ritningar enkelt realiseras. Fördelarna med vattenskärning är många. Till skillnad från laserskärning värms inte materialet upp under bearbetningen och materialet behåller sin härdning. Det bearbetade materialet påverkas inte heller av någon oönskad plastisk deformation. Ytråheten går att med abrasiv vattenskärning få ner till 3,2 µm vilket gör att man i många fall inte behöver efterbehandla materialet. Den största nackdelen är att de flesta vattenskärare enbart skär i två dimensioner. Detta utgör dock inget större problem när tunnplåt bearbetas. 2.1.2 Kantpressning Kantpressning är en plastisk kallbearbetning av plåt. Resultatet av denna metod är oundvikligen inbyggda spänningar där materialet plasticerar, se figur 2.1. På insidan av bocken uppstår tryckspänningar och på utsidan dragspänningar. Detta resulte- rar i att sprödare material kräver större bockningsradie för att materialet ska kunna 5 2. Teori deformeras utan att brott uppstår. En annan effekt av bockning är att materialet återfjädrar, se figur 2.1. Materialets elasticitetsmodul är direkt kopplad till vilken återfjädring man får av bocken[6]. Andra faktorer som påverkar hur stor återfjädring- en blir är plåtens valsriktning och tjocklek. För att kompensera för detta överbockar man varje bockning några enstaka grader beroende på materialegenskaperna. Figur 2.1: Spänningar och återfjädring[7] Till projektets förfogande finns en datorstyrd kantpress, Cone 900. Restriktionerna i denna kantpress påverkar hur plåtar kan bockas. Till exempel måste hänsyn tas till hur plåten rör sig under bockning. Maskinen har en precision på en hundradels millimeter på övre pressverktyget. Maskinens precision möjliggörs tack vare avsak- naden av temperaturberoende hydraulisk fluid. Energiförbrukningen blir även upp till 50% lägre jämfört med hydrauliska kantpressar[8]. Vilka profiler som kan tillver- kas beror till stor del av vilket övre och undre verktyg som används i maskinen. Även vilken tjocklek arbetsmaterialet har påverkat resultatet. För att få en uppfattning av kantpressens komponenter, se figur 2.2. Figur 2.2: Schematisk bild av Cone900[8] Vid bockning av en U-profil får höjden på bocken inte vara för hög, ty då riskerar 6 2. Teori ena sidan att tryckas mot det övre verktyget eller ramen. Detta gör att långsidan måste vara dubbla längden av kanten som ska bockas för undvika kontakt med det övre verktyget. Alltså a > 2 × b i figur 2.3. Figur 2.3: Restriktioner vid bockning av U-profil Figur 2.4: Restriktioner vid dubbelbockning i Cone900 För att göra en dubbelbock krävs att avståndet mellan innerbockarna är minst 80 mm, annars tar plåtstycket i det övre verktyget eller övre ramen, se figur 2.2. Bockarnas yttermått får inte understiga 17 respektive 18 mm, enligt figur 2.4. 2.2 Teori mekaniskt system Inga tillförlitliga studier om vilka komponenter som oftast förekommer på en mini- motorcykel har funnits. Därför har en undersökning genomförts hos olika återförsäl- jare för att konstatera vilka komponenter som vanligtvis påträffas. Det mekaniska systemet hos minimotorcyklar består vanligtvis av bromsar, fjädring, kylsystem, framgaffel samt transmission mellan motor och hjul. Bromssystemet består oftast av skivbromsar men på större motorcyklar förekommer även andra bromstyper, till exempel trumbromsar. Vanligtvis har minimotorcyklar inte någon fjädring då den elastiska deformeringen i ramen ofta utgör tillräcklig stötdämpning. Fjädring förekommer dock, både framgaf- fel och ram kan vara utrustad med till exempel spiralfjädrar eller tryckluftsdämpare. 7 2. Teori För kylning av motor och övriga värmegenererande komponenter i minimotorcyklar är luftkylning vanligt förekommande. Hos andra fordon såsom bilar är vattenkylning vanligt[9]. För minimotorcyklar anses vattenkylning ofta vara överflödigt eftersom ett mindre kylbehov krävs. För riktningsändring används nästan uteslutande en framgaffel med ett monterat styre. För att svängar och kurvor ska vara lättmanövrerade måste gaffeln vara korrekt utformad. Här har försprång och gaffelvinkel stor betydelse, se figur 2.5. Försprång är avståndet, Y, från framdäckets kontaktyta till den punkt på marken gaffelns rotationsaxel pekar. Gaffelvinkel, θ, definieras som vinkeln mellan vertikal- planet och styraxelns riktning. Figur 2.5: Illustrerande bild av gaffelvinkel och försprång[10] Försprånget gör att motorcykeln antingen blir enkel att manövrera eller stabil i höga hastigheter. Då axeln pekar framför hjulet blir motorcykeln stabil i högre hastighe- ter men svårare att manövrera i låga hastigheter. En lämpligt längd på försprång är 50 till 100 milli för en vanlig motorcykel. Gaffelvinkeln har betydelse för vad för- språnget blir. Försprånget beror även på avstånd och vinkel mellan gaffelbenen och rotationsaxeln[11]. För att överföra kraft samt variera vinkelhastigheten mellan motorn och hjul an- vänds någon typ av transmission. Vanligtvis används en kedja på minimotorcyklar, men remdrift förekommer på många olika produkter. Remmar har vanligen en verk- ningsgrad mellan 89-98%[13] medan kedjor kan ha en verkningsgrad på upp till 100% vid ideala förhållanden[14]. 2.3 Teori elektriskt system Ett elektriskt fordons elsystem består huvudsakligen utav motor, motorstyrning, spänningsomvandling och energikälla. Motorstyrning och spänningsomvandling bil- dar tillsammans motordrivaren[9]. Ett övergripande blockschema av huvudkompo- nenter i ett eldrivet fordon visas i figur 2.6. 8 2. Teori Acceleration Regenerativ bromsning LaddsystemEnergikälla HjulTransmission Acceleration & Bromsning MotorSpännings- omvandlingMotorstyrning Figur 2.6: Blockschema över elektriskt drivet fordon 2.3.1 Motorer Motorn är en maskin som roterar för att omvandla elektrisk energi till mekanisk energi och vice versa. Följaktligen kan en elektrisk maskin fungera både som en mo- tor och en generator. Orden motor och maskin kommer användas synonymt genom detta teoriavsnitt. Motorn består av två delar: en stationär del och en roterande del. Den roterande delen kallas rotor och den stillastående delen kallas stator. De två delarna består ofta av en järnkärna med någon typ av metallindningar i exempelvis koppar. Upp- byggnaden av rotor respektive stator kan se olika ut beroende på motortyp men grundprincipen är många gånger densamma[15]. När statorlindningarna tillförs el bildas ett magnetiskt kraftfält i statorn. Detta gör att ett magnetiskt flöde genereras genom ett luftgap som finns mellan stator och rotor[9]. Riktningen för det magnetiska flödet visas i figur 2.7. Kraftfältet i statorn kommer påverka rotorlindningar så att det även i rotorn bildas ett magnetiskt kraftfält[15]. Då de två fälten börjar samverka kommer rotorn och dess anslutna motoraxel rotera. 9 2. Teori Figur 2.7: Elmotorns uppbyggnad Det finns flera olika typer av elektriska motorer. Förenklat kan de delas upp i an- tingen DC- eller AC-maskiner. Fördelen med DC-motorer är att de har enkel kon- struktion och är lätta att styra. DC-motorer är vanligtvis seriemagnetiserade eller separatmagnetiserade. När lindningarna i statorn och rotorn får elektricitet från två separata källor är motorn kallad separatmagnetiserad. Nackdelen med dessa två DC- motorer är att de har borstar som släpar mot delar i motorn vilket gör att slitage kan förekomma med tiden och således kräva underhåll[15]. AC-motorer kan delas upp i synkrona och asynkrona motorer. Asynkronmaskiner kan i sin tur delas upp i två typer av motorer, Squirrel cage och Wound rotor. Squirrel cage är billiga, robusta och används flitigt på marknaden idag[9], medan Wound rotor fungerar bra där det behövs högt startmoment. Denna har dock, precis som DC-motorer, borstar som kräver underhåll[16]. Synkronmaskiner kan delas upp i permanentmagnetiserade motorer och elektromag- netiserade motorer. De elektromagnetiserade maskinerna används ofta vid genere- ring av elektricitet inom elkraft och är stora vilket inte är passande för att ha i ett fordon[9]. De permanentmagnetiserade motorerna kan delas upp i permanentmagne- tiserade synkronmaskiner, PMSM, och borstlösa likströmsmotorer, BLDC. Fördelen med dessa motorer är att de är billiga och lätta att använda. BLDC-motorer är AC- motorer men kallas borstlösa likströmsmotorer för att styrningen fungerar som hos DC-motorer[3]. Ett förenklat schema över vanliga typer av elektriska maskiner visas i figur 2.8. 10 2. Teori Figur 2.8: Schema med några av de vanligaste typerna av elmotorer 2.3.2 Motordrivare För att kunna styra motorn behövs en motordrivare, vilken varierar beroende på motortyp. En motordrivare är en typ av mikroprocessor eller digital signalprocessor som tillsammans med spänningsomvandling kan styra motorn. Genom användning av olika metoder kan parametrar som hastighet och position av rotor bestämmas. Denna information används för att kunna styra ström och moment till motorn. Metoden som används är beroende av motortyp. Spänningsomvandling omvandlar elektrisk energi från en spänning till en annan med hjälp av signaler från styrenheten. Spänningsomvandlare består huvudsakligen utav kraftelektronik som transistorer, dioder och motstånd. De olika typer av omvandlare är DC/DC, DC/AC, AC/DC och AC/AC. En vanlig typ av DC/AC-omvandling är pulsbreddsmodulation, PWM, som används i BLDC-motorer. PWM innebär att skapa en varierbar spänning genom att styra bredden på en spänningspuls, istället för att styra amplituden[17]. 2.3.3 Energikälla En energikälla syftar i sammanhanget på lagrad energi som vid behov kan utnyttjas för att uträtta arbete[18]. Några energikällor för elektriskt drivna fordon kan vara batterier, bränsleceller, svänghjul eller ultrakondensatorer. Svänghjul är ett sätt att lagra mekanisk energi, men används dock inte kommersiellt än och ultrakondensato- rer används än så länge mest i elhybridfordon. Batteriet är den mest förekommande energikällan i elektriskt drivna fordon men bränsleceller förekommer också. Dessa är dock dyrare[9]. Ett batteri består utav flera battericeller som kan seriekopplas för att få önskad spänning och parallellkopplas för att få ut önskad ström. En battericell består utav en elektrolyt, en anod, en katod och en separator[9]. Detta visas i figur 2.9. 11 2. Teori Figur 2.9: Uppbyggnad av en battericell Batterier är uppdelade i primära och sekundära batterier. Primära batterier går en- dast att använda en gång medan sekundära batterier är uppladdningsbara. De mest förekommande batterierna är Nickel-metallhydrider(NiMH), Litium-jon(Li-jon) samt Litium-polymer(LiPo) som är sekundära[9]. Orden batteri och batteripaket kommer användas synonymt genom hela rappoten. Några vanliga parametrar för batterier är kapacitet och C-konstant. Batteriets ka- pacitet är den laddning som frigörs av en elektrod vid urladdning av batteriet. Detta mäts i amperetimmar, Ah. C-konstanten är ett mått på batteriets maximala säkra urladdningshastighet. 1 C innebär att ett batteri på 5 Ah släpper ifrån sig en max- ström på 1 · 5 = 5 A. 2 C innebär att batteriet kan släppa ifrån sig en ström på 2 · 5 = 10 A[9]. 12 3 Metod Avsnittet nedan beskriver den metod som använts för utvecklingen av minimotor- cykeln. Följande processdiagram erbjuder en överblick av de metoder som utgör arbetsgången. Dessa olika metoder förklaras sedan närmre i varje metoddel. Me- toderna har använts eftersom de anses viktiga för en systematisk och innovativ produktutveckling. Färdig prototypValideringTestningPrototyp- tillverkningKonstruktion KonceptvalKrav- specifikation Funktions- analys Kompetens- uppbyggnadStart Figur 3.1: Processdiagram för projektets arbetsgång Hela produktutvecklingsprocessen kan utläsas ur figur 3.1. Det första steget i pro- duktutvecklingen innebar att bygga upp kompetens inom ämnet minimotorcykel och dess komponenter. Utifrån kompetensuppbyggnaden samt krav från uppdragsgiva- ren kunde sedan en kravspecifikation samt funktionsanalys sammanställas. Dessa lade grunden för konceptvalet och konstruktionen av minimotorcykeln. Efter att prototypen färdigställts har minimotorcykeln testats och validerats mot kravspecifi- kationen för att sedan kunna användas som demonstrator för Prototyplaboratoriet. 3.1 Kompetensuppbyggnad Ett första viktigt steg i produktutvecklingen var att bygga upp en kompetens inom tillverkningsteknik, eldrift samt minimotorcyklar. Detta för att skapa en uppfattning om projektets delproblem och omfattning. Minimotorcyklars konstruktion har studerats samt restriktioner gällande använd- ningen av dessa. Denna information ligger som grund för teoriavsnittet 2.2. Utöver detta har möjligheter och begränsningar för de tillgängliga maskinerna i Prototypla- boratoriet undersökts tillsammans med handledarna. Detta har skett via fysiska tester av bland annat vattenskäraren och kantpressen. Speciellt bockning kan vara 13 3. Metod komplicerat, vilket gör testerna till en viktig del av kompetensuppbyggnaden. Fakta som rört elsystemet har främst införskaffats genom litteraturstudier för att avgöra vilka komponenter som lämpar sig för projektet samt hur dessa fungerar. 3.2 Funktionsanalys En funktionsanalys av minimotorcykeln utfördes för att framhäva fordonets delsy- stem samt att få en helhetsbild av produkten. Detta för att underlätta skapandet av en kravspecifikation. Funktionsanalysen utformades med hänsyn till både öns- kade och onönskade delfunktioner. De olika delfunktionerna arbetar i synergi för att tillsammans åstadkomma produktens huvudfunktion. Utifrån funktionsanalysen identifierades de funktioner där kundvärdet kunde ökas. 3.3 Kravspecifikation En kravspecifikation utformades för att klargöra vilken prestanda och olika målvär- den produkten ska uppfylla. I kravspecifikationen ska kraven vara kvantifier- samt verifierbara[19]. Det ska även framgå vilka målvärden som gäller för respektive krav samt vem som ställt kraven. I kravspecifikationen, figur 4.1, definieras vem som är kravställare under kolumnen referens. Kravställaren är exempelvis en kund, lagstif- tare, uppdragsgivare eller projektgruppen. Kravspecifikationen utgör stommen för hela projektet och kan komma att utvecklas allt eftersom ny kunskap tas in. 3.4 Konceptval Ett antal metoder ur The Value Model har applicerats vid konceptval. Enligt The Value Model bör kundvärdet av produkten stå i fokus. I detta fall har kunden setts som handledarna vid institutionen för Produkt- och produktionsutveckling. I figur 3.2 visas en rad moment som varit centrala för konceptvalets utfall. Här har målet varit att ta fram så många lösningar för varje delsystem som möjligt. Under konceptgenereringen är det av stor vikt att ha ett öppet sinne inom pro- duktutvecklingsgruppen. En tillbakahållande kultur riskerar medföra att idéer, som potentiellt skulle kunna vara nyckeln i projektet, förbises. Det har även legat fokus på att inte låsas vid idéer för tidigt, utan vara öppen för att bättre idéer ska kunna tillkomma längre fram i genereringen. För att tydligt systematisera urvalsprocessen av de olika koncepten har minimotor- cykeln delats in i tre delar; ram, mekaniskt- samt elektriskt system. Se figur 3.3 för systemets uppbyggnad. Fyra typer av matriser har applicerats för att generera beslutsunderlag för konceptvalet. Först har en morfologisk matris tagits fram för att sedan sålla ut koncept med en elimineringsmatris och därefter betygsätta de resterande koncepten med en Pugh- och Kesselring-matris. Detta görs för att på ett 14 3. Metod så objektivt sätt som möjligt betygssätta koncepten och därmed få beslutsunderlag som stödjer de antaganden som gjorts. Arbetsgången illustreras i 3.2. Avslutningsvis analyserades de tre delsystemen för att säkerhetsställa att det tre vinnande koncepten från varje delsystem faktiskt utgjorde det tillsammans bästa resultatet. Här betraktades även layout för motorcykelns inre, framförallt placering av motor och komponenter men även åtkomlighetsmöjligheter etc. Figur 3.2: Processdiagram för konceptvalsmetoden Elektriskt system Fjädring Position förare Minimotorcykel Ram Mekaniskt system Motor Chassi Ram Energikälla Riktningsändring Kylsystem Broms Hjul Drift och utväxling Motordrivare Laddningssystem Acceleration/Retardation Figur 3.3: Systemstruktur för minimotorcykeln 3.4.1 Beskrivning av matriser För att generera koncept och sålla bland dessa har följande matriser använts. Notera dock att alla matriser inte nödvändigtvis behöver användas för alla delsystem i produkten. Upplevs inte matriserna tillföra något mervärde kan vissa av dem väljas bort.Följande matriser är baserade på hur de beskrivs i The Value Model[4]. 15 3. Metod 3.4.1.1 Morfologisk matris Som inledande steg i konceptvalet idégenereras lösningar fram. De olika lösning- arna uttrycks sedan i form av text och eventuellt skiss samt sammanställs till en morfologisk matris för respektive delsystem. Den morfologiska matrisen används se- dan för att ta fram så många unika lösningar på problemet som möjligt. På den vertikala axeln i tabellen läggs delsystemen och på den horisontella axeln läggs de olika lösningarna. De olika lösningarna för delsystemen kan sedan kombineras och korsbefruktas för att generera ett antal koncept. En eller flera dellösningar väljs för varje delsystem. Dessa koncept stoppas därefter in i en elimineringsmatris. 3.4.1.2 Elimineringsmatris En elimineringsmatris har använts för att ta bort de koncept som faller utanför projektets ram. Ifall ett koncept inte uppfyller något av kraven i kravspecifikationen kommer det ej vidareutvecklas. Likväl kommer koncept som upplevs ligga utanför projektbeskrivningen, eller som inte är möjliga att tillverka i Prototyplaboratoriet, att sållas bort. I detta steg har alltså antalet koncept reducerats vilket bidrar till ett mer lättöverskådligt utfall av resultat i kommande matriser. I matrisen testas varje koncept mot kravspecifikationens krav i tur och ordning. Kan kravet uppfyllas skrivs “Ja” in i matrisen och kan det inte uppfyllas skrivs “Nej” in. Ifall ett koncept inte kan uppfylla ett krav så utvärderas inte heller resterande krav eftersom konceptet inte kan realisera kravspecifikationen. Önskemålen i kravspecifikationen är inte kriterier i elimineringsmatrisen. För att underlätta den fortsatta sållningen av koncept användes Kesselring- och Pugh-matriser. Båda matriserna utvärderar systematiskt lösningsförslag och poäng- sätter dessa där syftet är att underlätta för en objektiv process. Ramen, det me- kaniska systemet och elsystemet utvärderas var för sig och bästa möjliga koncept utses för respektive delssystem. 3.4.1.3 Pugh-matris Pugh-matrisens syfte är att jämföra de genererade koncepten med ett referenskon- cept. Olika kriterier ställs upp och utvärderas för var och ett av koncepten. Kriterier- na bygger på krav och önskemål för minimotorcykeln och är baserade på kravspeci- fikationen. De olika koncepten jämförs sedan med referenskonceptet och betygsätts. Varje koncept och varje kriterium kommer jämföras mot referenskonceptet. Kon- cepten får för varje kriterium betyget +, - eller S, vilka indikerar att konceptet ses som bättre, sämre eller lika bra på det kriteriet. Poängen summeras sedan där + ger 1, - ger -1 och S ger 0 poäng. S står för “samma”. Efter summeringen av poäng- en kan koncepten jämföras mellan varandra och rangordnas. Ifall något eller några koncept får betydligt sämre resultat än övriga kan dessa sållas bort inför nästa steg i konceptvalet. 16 3. Metod 3.4.1.4 Kesselring-matris Eftersom de olika kriterierna i matriserna kan ha olika signifikans för slutresulta- tets utgång kan Pugh-matrisen ge en orättvis bild av rangordningen mellan kon- cepten. För att utvärdera det kvarstående koncepten ytterligare skapades således en Kesselrings-matris. Kriterierna är viktade med en faktor w mellan ett och fem utifrån dess betydelse för produkten. Koncepten jämförs till skillnad från Pugh- matrisen med ett idealt koncept som har högsta poäng på alla punkter. Varje koncept jämförs med det ideala konceptet för varje kriterium och betygssätts i en heltalsskala mellan ett och fem. Poängen kallas v. Dessa multipliceras sedan med vikten w, och bildar totala poängen t, det vill säga t = v × w. Slutligen summeras poängen för alla kriterier för var och ett av koncepten för att därefter rangordna dem. För att underlätta rangordningen beräknas en relativ poäng, där konceptets poäng jämförs med det ideala konceptet enligt Prel = Pkoncept/Pidealtkoncept där P är varje koncepts totala poäng. Resultatet ifrån Pugh- och Kesselrings-matrisen kan sedan användas som besluts- underlag för konceptvalet. 3.5 Konstruktion & tillverkning Prototyptillverkningen har varit en central del av projektet och mycket tid har därför lagts i Prototyplaboratoriet. För att ha en kreativ process och stärka kommunika- tionen kring konceptidéer har olika prototyper tillverkats under tidens gång, dels i papper och wellpapp men även i metall. Pappersprototyperna beskriver på ett enkelt sätt olika koncept. Konstruktionen och prototyptillverkningen har löpt parallellt under projektet. Ef- tersom många mått för till exempel ramen bygger på inköpta komponenter har det varit nödvändigt att vara flexibel i produktutvecklingen och konstruktionen. 3.6 Testning & validering En testning av produkten har genomförts, för att säkerställa att krav och önskemål uppfyllts. Utfallen från testerna analyserades och produkten förädlades genom att bearbeta brister i konstruktionen. Testning, validering och optimering repeterades tills en tillfredsställande slutprodukt uppnåtts. 3.7 Demonstration Eftersom huvudmålet med projektet är att åskådliggöra Chalmers Prototyplabora- toriums kantpress och vattenskärare är demonstrationen av produkten central. Pro- totypen ska vara uppseendeväckande, fungerande samt estetiskt tilltalande. Detta 17 3. Metod ska delvis uppnås genom att prototypen ska finnas kvar i Prototyplaboratoriet efter att slutprodukten är klar för att visas upp för studenter och besökare. 18 4 Kravspecifikation Som inledande fas under projektet utformades en kravspecifikation. Denna baserades på en utförd funktionsanalys och diskussion med uppdragsgivaren. 4.1 Funktionsanalys Efter kompetensuppbyggnadsfasen genomfördes en funktionsanalys för att visualise- ra hur de olika funktionerna i minimotorcykelns komponenter hänger samman. Ex- empelvis avges spillvärme från motor, energi som istället skulle kunna återanvändas i systemet och därmed öka fordonets energieffektivitet. Se figur 4.1 för funktionsa- nalysen. Den streckade linjen definierar systemgränsen, det vill säga det område som beak- tas, vilket här är minimotorcykeln. De gröna pilarna avser önskade funktioner som på något sätt ska maximeras eller optimeras, medan de röda pilarna är oönskade funktioner som ska minimeras eller helt uteslutas. De avrundade lådorna avser del- system och de kantiga lådorna avser omgivande delsystem såsom vägdamm, brukare och värme. Ur funktionsanalysen kan utläsas att värmeförluster från motor och bromsar bör minimeras samtidigt som verkningsgraden för exempelvis transmissionen ska max- imeras. Utöver det ger funktionsanalysen en bra bild av vilka komponenter som måste sitta ihop och hur elsystemet måste integreras med det mekaniska. 19 4. Kravspecifikation Figur 4.1: Funktionsanalys för minimotorcykeln 4.2 Resultat av kravspecifikation Uppdragsgivarnas främsta krav var att en minimotorcykel skulle tillverkas i enkel konstruktion med så få svetsfogar som möjligt samt vara eldriven. Vid framtagning- en av kravspecifikationen beaktades först funktionsanalysen och Svemos krav för minimotorcykalr. Detta för att skapa ett grovt ramverk för motorcykelns utseende och egenskaper. Svemos krav avser minimotorcyklar för tävlingsbruk och elektriska fordon accepteras ej, men dimensionerna är ändå relevanta för projektet i eftersom de utgör en grund för hur en minimotorcykel bör se ut. Kravspecifikationen har använts som stomme under hela produktutvecklingsfasen. Kravspecifikationen har dock modifierats och förfinats under arbetets gång, alltef- tersom nya problem uppenbarat sig. Detta för att framställa en så välfungerande slutprodukt som möjligt. I kravspecifikationen finns det krav där praxis frångåtts då dessa ej kan anses va- ra kvantifierbara. Detta gäller kraven “Klara av framfart på grusväg”, “Lättmanö- vrerad”, “Elektriskt driven”, “Laddningsbara batterier”, “Minimal användning av 20 4. Kravspecifikation svets”, “Lättåtkomligt” samt “Estetiskt tilltalande”. Dessa krav anses vara så pass viktiga för projektets utfall att de likväl återfinns i kravspecifikationen. Dessa krav bör kunna verifieras på andra sätt genom olika test samt granskning av konstruktio- nen. Detsamma gäller för de önskemål som inte har kvantifierbara verifieringsmeto- der. Se appendix A för förklaringar av de ingående elementen i kravspecifikationen. Eftersom projektet har som mål att fungera som demonstrator ligger kravet “Este- tiskt tilltalande” under rubriken “Demonstratorvärde”. Kravet innefattar både att prototypen ska se estetiskt tilltalande ut, men även att den ska kunna demonstrera de tillverkningstekniker som är specifierade i projektets syfte. Minimotorcykeln har som krav att klara minst 25 km/h på plan mark och 20 km/h i 5% backe. Utöver detta finns ett internt önskemål om 45 km/h på plan mark samt i 10% backe. Dessa krav verifieras genom mätning med till exempel lasermätare under testkörning. Eftersom säkerhet är av hög betydelse finns ett krav på en stoppsträc- ka på max 20 meter och ett önskemål på 15 meter vid inbromsning från maximal hastighet. Alla dessa krav avser körning på asfaltsväg i gott skick, vilken minimo- torcykeln ska kunna köras på enligt kravet “Klara av måttliga mängder damm och grus vid framfart på asfalt”. Utöver det finns ett önskemål om att kunna framföra minimotorcykeln på grusväg, vilket kräver betydligt större krav på fordonet då inga komponenter får skadas på grund av damm. Minimotorcykeln är elektriskt driven, vilket innebär att den kommer kräva en ener- gikälla som genererar elektricitet. Drivmedlet ska vara återladdningsbart med en laddningstid under 12 timmar. Energikällan ska klara av att laddas minst 100 gång- er och motorcykeln ska kunna köras i 25 km/h 10 km på en laddning. Att ener- gikällan ska vara återladdningsbar är även en hållbarhetsfråga och går i linje med rubriken “Miljö/hållbarhet”. Denna säger att minimotorcykelns livslängd ska tillåta en total körsträcka på minst 1000 km samt vara tillverkad av minst 80% återvin- ningsbart material. Materialet ska kunna återvinnas direkt som metallskrot, eller genom komponenter som går att använda i andra applikationer. Minimotorcykeln får heller inte släppa ut några miljöfarliga partiklar under drift, vilket kan kopplas till Chalmers miljöprofil. Ett tekniskt önskemål för att minska energiförbrukningen är att vid motorbromsning ta till vara på rörelseenergin och återladda batterierna för att dryga ut den möjliga körsträckan. Minimotorcykeln ska vara bekväm att köra och enkel att reparera. Alla komponenter måste vara lättillgängliga för montering och demontering. Enligt projektbeskrivning- en ska antal svetsar minimeras och helst uteslutas, detta står som ett önskemål och krav under rubriken “Tillverkningsmetod”. 21 4. Kravspecifikation Tabell 4.1: Kravspecifikation Chalmers)Tekniska)Högskola Kandidatarbete:) PPUx:03:15:06 Kriterier Målvärde Enhet K/Ö Verifieringsmetod Referens Prestanda Hastighet >25 km/h K Testas)på)raksträcka)med) t.ex.)lasermätare Internt Hastighet >45 km/h Ö Testas)på)raksträcka)med) t.ex.)lasermätare Internt Hastighet)i)5%)backe >20 km/h K Testas)i)backe)med)t.ex.) lasermätare Hastighet)i)10%)backe >45 km/h Ö Testas)i)backe)med)t.ex.) lasermätare Maxlast >100 kg K FE:beräkning,)vägning Internt Körsträcka)utan)laddning >10 km K Beräkning,)testkörning Internt Körsträcka)utan)laddning >50 km Ö Beräkning,)testkörning Internt Bromssträcka)vid)maximal) hastighet <20 m K Testkörning Internt Bromssträcka)vid)maximal) hastighet <15 m Ö Testkörning Internt Klara)av)måttliga)mängder) damm)och)grus)vid)framfart) på)asfalt K Kontrollera)filter)och)andra) kritiska)delar)efter) testkörning Internt Klara)av)framfart)på)grusväg Ö Kontrollera)filter)och)andra) kritiska)delar)efter) testkörning)på)grusväg Internt Möjlighet)att)ändra)utväxling Ö Konstruktion Internt Slaglängd,)fjädring 100 mm Ö Mätning Internt Lättmanövrerad) K Testkörning)på)asfalt,)mäta) svängradie,)tvärsnittsstudie Internt Dimensioner Vikt <40 kg K Vägning Svemo Vikt <30 kg Ö Vägning Svemo Hjulbas <730 mm K Mätning Svemo Längd <1060 mm K Mätning Svemo Sitthöjd <460 mm K Mätning Svemo Totalhöjd <620 mm K Mätning Svemo Drivmedel Elektriskt)driven K Verifiering Uppdragsgivare Laddningsbar)energikälla K Verifiering Internt Livslängd)energikälla 100 Antal) laddningar Ö Anteckna)varje)laddtillfälle Internt Laddtid <12 h K Mäta)tidsåtgång)vid) laddning Internt Laddtid <6 h Ö Mäta)tidsåtgång)vid) laddning Internt Tillverknings= Minimal)användning)av)svets K Mäta)längden)av)svetsfog Uppdragsgivare metod Sammanfogning)med)hjälp)av) svetsning 0 Antal) svetsar Ö Mäta)längden)av)svetsfog Uppdragsgivare Miljö/hållbarhet Bestå)av)80)%) återvinningsbart)material Ö Redovisning)av)material Internt Livslängd >1000 km K Simulering Internt Energiåtervinning)vid) inbromsning Ö Mätning Internt Utsläpp)av)miljöfarliga) ämnen/partiklar)under)drift 0 g Ö Beräkning Internt Ergonomi Bekväm)att)åka) Ö Testkörning/ergonomisk) bedömning Internt Reparations= möjligheter Lättåtkomligt K Tvärsnittsstudie Internt Demonstrator= värde Estetiskt)tilltalande K Bedömning)från) uppdragsgivare Uppdragsgivare Kravspecifikation 22 5 Konceptval Följande avsnitt presenterar vägen fram till det slutgiltiga konceptvalet för respek- tive delsystem. De tre delssystemen ram, mekaniskt- och elektriskt system behand- las separat och metoderna är baserade på The Value Model beskrivna i kapitel 3.4.1. Delsystemen är dock inte oberoende av varandra och ett avslutande stycke utreder hur väl koncepten interagerar med varandra och säkerställer att det bästa helhetskonceptet vidareutvecklas. 5.1 Val av ramkoncept Ramkoncepten delas huvudsakligen upp i tre kategorier: “låda”, “balk” samt en kombination av de båda. Skisser av koncepten finns i appendix B. Lådkoncepten innefattar en ram konstruerad som en ihålig behållare. Det finns gott om utrymme längs väggarna att fästa komponenter på både ut- och insida. Koncep- ten uppnår en bra hållfasthet men en något kantigare design medföljer. Framförallt är de enkla att tillverka och konstruera eftersom de består av få och stora plåtbitar. Balk-koncepten omfattar en klassisk ramkonstruktion med någon typ av fackverks- struktur där balkar utgör motorcykelns stomme. Detta medför att en mindre mängd material krävs vilket gör minimotorcykeln lätt och behändig. Den mer öppna kon- struktionen talar även för en större och enklare luftkylning. Ramkoncepten väljs att konstrueras i aluminiumplåt. Materialvalet baserar sig på att vikten ska hållas låg. Denna plåt kan även bockas med de verktyg som finns och plåten finns tillgänglig. Ramverket talar även för att utvändigt klä motorcykeln med kåpor i en snygg färg för att skydda mot vägdamm samt ge motorcykeln ett snyggt och sportigt utseende. Nackdelen med balkkonstruktionerna uppstår framförallt då tillverkningsaspekter beaktas. Eftersom svetsning ska undvikas i allra högsta grad uppstår hållfasthets- problem då stängerna skall fästas. Detta problem uppkommer inte i samma grad för lådkoncepten. Koncepten som utgörs av en kombination av både “låda” och “balk” har många fördelar, men också nackdelar jämfört med de tidigare beskrivna kategorierna. De har möjligheten att få en hållfast konstruktion med gott om plats för fästning av komponenter. Riskfaktorn för att svetsning behöver appliceras är dock betydligt högre än för lådkoncepten och kylningen försämras jämfört med balkkoncepten. 23 5. Konceptval 5.1.1 Pugh-matris för ramkoncepten Eftersom ramkoncepten, till skillnad från de mekaniska och elektriska systemen, enbart består av en komponent så valdes att inte göra en morfologisk eller elimine- ringsmatris. En morfologisk matris används för att kombinera fram helhetslösningar av flera olika komponenter vilket inte är möjligt när endast en komponent beaktas. Det bedömdes som tillräckligt att göra en Pugh- samt en Kesselring-matris. Sållningen av ramkoncept startade med 17 konstruktionsförslag framtagna genom idégenerering. Konceptbeskrivningar återfinns i appendix C och Pugh-matrisens in- nehåll åskådliggörs i tabell 5.1. Kriterierna i Pugh-matrisen jämför framförallt kon- ceptens kvalitéer inom miljö, prestanda, tillverkning och konstruktion och är baserad på den framtagna kravspecifikationen. Tabell 5.1: Pugh-matris för ramkoncepten Kriterier Rätblock Ost Sporthoj3 flygplans3 vinge Vinklad< låda Klassisk< race3 minimoto Upp3 hängning Enklel< cykel Eka Rami> konstrukton 5 5 25 5 25 5 25 4 20 3 15 2 10 3 15 3 15 3 15 3 15 3 15 4 20 3 15 4 20 3 15 3 15 Hållfasthet 3 5 15 2 6 2 6 4 12 3 9 3 9 3 9 3 9 4 12 3 9 3 9 4 12 4 12 5 15 4 12 4 12 ReparationsD tillgänglighet 3 5 15 1 3 1 3 1 3 1 3 5 15 5 15 5 15 5 15 5 15 3 9 2 6 2 6 3 9 2 6 2 6 Ergonomi 2 5 10 1 2 1 2 4 8 3 6 5 10 3 6 3 6 3 6 4 8 4 8 4 8 4 8 4 8 4 8 4 8 Demonstrator 5 5 25 1 5 1 5 4 20 3 15 4 20 2 10 2 10 2 10 2 10 3 15 3 15 4 20 5 25 3 15 3 15 Estetik 4 5 20 1 4 1 4 4 16 4 16 4 16 3 12 3 12 3 12 2 8 2 8 3 12 4 16 4 16 4 16 4 16 Kostnad 2 5 10 3 6 3 6 3 6 3 6 2 4 3 6 4 8 4 8 3 6 3 6 3 6 3 6 3 6 3 6 3 6 Total 60 185 34 107 32 101 39 128 38 118 38 119 36 111 38 116 38 116 39 118 35 110 37 119 38 123 44 143 37 118 37 118 Rel.&Total 1,00 1,00 0,57 0,58 0,53 0,55 0,65 0,69 0,63 0,64 0,63 0,64 0,60 0,60 0,63 0,63 0,63 0,63 0,65 0,64 0,58 0,59 0,62 0,64 0,63 0,66 0,73 0,77 0,62 0,64 0,62 0,64 Medel 5,00 15,42 2,83 8,92 2,67 8,42 3,25 10,67 3,17 9,83 3,17 9,92 3,00 9,25 3,17 9,67 3,17 9,67 3,25 9,83 2,92 9,17 3,08 9,92 3,17 10,25 3,67 11,92 3,08 9,83 3,08 9,83 Median 5 15 3 5,5 2,5 5,5 3,5 9 3 9 3 10 3 9,5 3 9,5 3 9,5 3 9,5 3 9 3 10,5 3 10,5 3,5 12 3 10,5 3 10,5 Rangordning 762109 108336 1 7 754 Ideal Rätblock Ost SporthojN flygplansN vinge Vinklad& låda Klassisk& raceN minimoto Enkel& cykel Eka Ram&m.& BottenN platta Cykel MotoN cross&m.& TaggarMoped Motocross Sporthoj&m.& balkar TriangelN låda&m.&IN balk MotoN cross&m.& Hål Utfallet av Kesselring-matrisen skiljer sig något från resultatet i Pugh-matrisen. Det kan konstateras att koncept “Rätblock” och “Ost” hamnat betydligt längre ner i rangordningen än tidigare, detta förmodas bero på att kriterierna nu är viktade. Aspekter som estetik och ergonomi har fått en helt större relevans i matrisen för att kunna matcha projektets ändamål. Kriterier för enkelhet i konstruktion, hållfasthet samt montering prioriteras högt i Kesselring-matrisen. Detta är svaga punkter för många av de framtagna balkkon- cepten där hållfasthetsproblem ofta uppstår då stängerna ska fästas. Många poäng från den totala summan går därmed förlorade hos “Klassisk raceminimoto”, “En- kel cykel”, “Eka”, “Cykel” samt “Moped”. Det balkkoncept som sticker ut är “Ram med bottenplatta” där en hyfsad stark konstruktion ändå kan uppnås genom att fästa stänger i en bottenplatta. Konceptet hamnade tillslut på en tredjeplats och anledningen till att det inte vidareutvecklas ytterligare är framförallt dess mindre tilltalande estetik. Allra bäst visade sig kombinationerna av låd- och balkkonstruktionerna vara med “Triangellåda med I-balk” och “Sporthoj med flygplansvinge” i topp. Det slutgiltiga valet stod mellan dessa två. Koncept med rangordning tre till tio prioriteras bort eftersom de inte ansågs tillgodose kriterierna lika bra. “Sporthoj med flygplansvinge” valdes tillslut bort på grund av de begränsade re- parationsmöjligheterna i och med ribborna som korsar hela konstruktionen på flera ställen. I detta konceptuella projekt kan förändringar lätt uppstå vilket gör ett re- parationsvänligt koncept mer praktiskt. “Triangellåda med I-balk” fick bäst betyg genom både Kesselring- och Pugh-matriserna 25 5. Konceptval och kommer därför att vidareutvecklas. Konceptet har en stark konstruktion vilket talar för en lång livslängd. Även designen är estetiskt tilltalande och minmotorcykeln skulle därför fungera väl som demonstrator. Figur 5.1: Skiss av triangellåda med I-balk 5.2 Val av mekaniskt system Det mekaniska systemet definieras här som alla de komponenter som inte hör direkt till ramen eller det elektriska systemet. I matriserna i tabell 5.3 och 5.4 har de delats in i broms, hjul, transmission, kylsystem, drift, riktningsändring, fjädring samt position för förare. 5.2.1 Morfologisk matris för mekaniska systemet Efter idégenerering togs en morfologisk matris fram, se tabell 5.3. Många av lösning- arna i matrisen är svåra att genomföra och hamnar lätt utanför projektets ramar. De har dock tagits med i den inledande fasen av konceptgenereringen för att inte låsa tankegångar och fastna vid ett tidigt valt spår. 26 5. Konceptval Tabell 5.3: Morfologisk matris för det mekaniska systemet Komponent 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Broms Elektrisk) motorbroms Skivbroms Trumbroms V2broms Induktions2 broms Magnet2 broms Handbroms2 däck Handbroms2 mark Hjul Slang)m.) Alu.fälg Slang)m.) Stålfälg Solid)gummi Terräng Larvfötter Trähjul Klot Svävare Assymetriskt Utväxling Kedja Kuggrem Kilrem Planrem Kugghjul Kardanaxel Växellåda Kylsystem Luftkylning Vatten2 kylning Vätske2 kylning Oljekylning Fläktluft Drift Bakhjulsdrift Framhjuls2 drift Tvåhjuls2 drift RiktningsC ändring Styre Ratt App Gyro Joystick Knappar Touchpad Trackball Ändra) tyngpunkt Fjädring Endast)ram Delad)ram Lufttryck Bra)däck Fjädrar Fjädrad) sadel Magnet Position Sadel Stol Liggplats Stå Chopper Sport2 motorcykel De olika komponenterna har genom den morfologiska matrisen kombinerats ihop till tio stycken koncept. Det är möjligt att få ut betydligt fler, men dessa tio bedömdes som mest genomförbara och representativa. Tabell 5.4: Resultat av den morfologiska matrisen för det mekaniska systemet Komponent Koncept)A Koncept)B Koncept)C Koncept)D Koncept)E Koncept)F Koncept)G Koncept)H Koncept)I Koncept)J Broms Elektrisk) motorbroms) +)skivbroms Elektrisk) motorbroms Trumbroms V2broms Skivbroms Skivbroms V2broms Elektrisk) motorbroms Handbroms2 mark Skivbroms Hjul Slang)m.) Alu.fälg Solid)gummi Terräng Slang)m.) Alu.fälg Terräng Slang)m.) Alu.fälg Slang)m.) Alu.fälg Trumbroms Slang)m.) Alu.fälg Handbrms2 däck Utväxling Kedja Kuggrem Kuggrem Kedja Kuggrem Kilrem Kedja Planrem Kedja Kedja Kylsystem Luftkylning Vatten2 kylning Vatten2 kylning Luftkylning Vätske2 kylning Oljekylning Luftkylning Fläktluft Luftkylning Luftkylning Drift Bakhjulsdrift Bakhjulsdrift Tvåhjuls2 drift Tvåhjuls2 drift Tvåhjuls2 drift Slang)m.) Stålfälg Tvåhjuls2 drift Bakhjulsdrift Bakhjulsdrift Bakhjulsdrift RiktningsC ändring Styre App Joystick Styre Ratt Styre Styre Styre Styre Styre Fjädring Endast)ram Endast)ram Fjädrar Fjädrad) sadel Fjädrar Delad)ram Fjädrad) sadel Delad)ram Endast)ram Endast)ram Position Sadel Sadel Sadel Sport2 motorcykel Sadel Sadel Sadel Sport2 motorcykel Sadel Sadel I tabell 5.4 kan resultatet av kombinationerna från den morfologiska matrisen utlä- sas. Det som kan konstateras är att ”Koncept A” är mer av klassiskt karaktär med bakhjulsdrift, vanligt styre, kedja, luftkylning med mera. Det som skiljer konceptet mot konventionella minimotorcyklar är främst elektrisk motorbroms som kombine- ras med skivbromsar för att öka säkerheten och minska energiförbrukningen. Övriga koncept är olika varianter av okonventionella komponenter för en minimotorcykel. 5.2.2 Elimineringsmatris för mekaniska systemet Följande elimineringsmatris, tabell 5.5, togs fram för att sålla bort de koncept som faller utanför projektets ramar eller inte uppfyller något av kraven i kravspecifika- tionen. Kriterierna som är tillagda utöver kraven är frågeställningar vars svar utgör 27 5. Konceptval beslutsunderlag för huruvida ett koncept bör vidareutvecklas eller inte. Är konceptet inom projektbeskrivningen, är det genomförbart i Prototyplaboratoriet och är det genomförbart inom tidsramen? För närmre beskrivningar om övriga frågeställningar i elimineringsmatrisen, se kravspecifikationen i kapitel 4.2. Tabell 5.5: Elimineringsmatris för det mekaniska systemet ! In om !p ro je kt , be sk ri vn in ge n? H as ti gh et !> 25 !k m /h ? H as ti gh et !i! 5% !b ac ke ! >2 0! km /h ? M ax la st !> 10 0! kg ? Br om s, st rä ck a! <1 5! m ! vi d! m ax .!h as ti gh et ? Kl ar ar !a v! m åt tl ig a! m än gd er !d am m !o ch ! gr us !v id !fr am fa rt !p å! as fa lt ? Lä tt m an öv re ra d? In om !S ve m os !d im ., kr av ? Li vs lä ng d! >1 00 0! km ? Lä tt åt ko m lig a! re pa ra ti on s, m öj lig he te r? G en om fö rb ar !i! Pr ot ot yp la bo ra to ri et ? G en om fö rb ar !in om ! ti ds ra m en ? V id ar eu tv ec kl as ? Kommentar Koncept!A Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Uppfyller*alla*krav Koncept!B Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Nej Nej Ej*genomförbar*under* tidsramen*eftersom*den* styrs*mha*en*app Koncept!C Ja Ja Ja Ja Ja Ja Nej Nej Svårmanövrerad*med* joystick Koncept!D Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Uppfyller*alla*krav Koncept!E Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Uppfyller*alla*krav Koncept!F Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Uppfyller*alla*krav Koncept!G Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Uppfyller*alla*krav Koncept!H Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Uppfyller*alla*krav Koncept!I Ja Ja Ja Ja Nej Nej För*lång*bromssträcka*med* handbroms Koncept!J Nej Nej Svävare*utanför* projektbeskrivningen De koncept som inte vidareutvecklas är koncept B, C, I och J. Koncept B skulle vara för tidskrävande då en app för styrning av framhjulet måste utvecklas. Koncept C skulle bli svårmanövrerat då den innehåller en joystick för riktningsändring. Att endast använda en handbroms som trycker direkt på hjulet är en alldeles för osäker bromsteknik och risken att bromssträcka överstiger 15 m är överhängande. Således elimineras koncept I. Att utveckla en minimotorcykel i form av en sväva- re ligger även det utanför projektbeskrivningen och därför elimineras koncept J. Resterande koncept uppfyller alla krav och vidareutvecklas. 5.2.3 Pugh-matris för mekaniska systemet Efter att fyra koncept eliminerats sattes resterande koncept in i en Pugh-matris med koncept A som referenskoncept. Pugh-matrisen kan utläsas i tabell 5.6. Kriterierna är tagna från kravspecifikationen. För vidare beskrivning av kriterierna, se appendix C. 28 5. Konceptval Tabell 5.6: Pugh-matris för det mekaniska systemet Kriterier Koncept*A Koncept*D Koncept*E Koncept*F Koncept*G Koncept*H Miljö Livslängd * S S * + Prestanda Bromssträcka * * * * * Styrning S * S S S Grepp9mot9marken S + S S S Vikt S S S S S Tillverkning Montering S S S S S Konstruktion Antal9komponenter * * S * * Risk9för9 överhettning S + + S + Energieffektivitet S S * S S Ergonomi + S S S + Kostnad S * * * S Nettovärde 0 A2 A1 A1 A4 1 Rangordning 2 4 3 3 5 1 R e f e r e n s I matrisen kan utläsas att koncept H var vinnare och koncept G en tydlig förlorare. Koncept H var dock endast ett poäng bättre än referenskonceptet A och således ingen tydlig vinnare. Den är bättre ergonomiskt på grund av att den har en sittställning inspirerad av sportmotorcykel istället för konventionell sadel. Den har lägre risk för överhettning samt har en bättre livslängd på grund av ett bättre kylsystem bestående av en fläktanordning samt gummidäck. Koncept G får sin låga poäng på grund av sämre bromsar, V-broms, samt två- hjulsdrift. Tvåhjulsdriften medför fler komponenter än nödvändigt vilket i sin tur ökar sannolikheten för att något går sönder och förkortar därmed livslängden. Fler komponenter ökar även komplexiteten vilket ej är önskvärt. Övriga koncept är så pass lika att viktningen av kriterierna i Kesselring-matrisen uppfattades som avgörande för konceptvalet. 5.2.4 Kesselring-matris för mekaniska systemet Resultatet från matrisen, vilket kan utläsas ur tabell 5.7 styrker ytterligare fördelar- na i Koncept A och H. Koncept D, E, F och G har sjunkit längre ner i rangordning- en eftersom samtliga innehåller något mindre beprövade system för motorcyklar. Exempel på detta är tvåhjulsdrift och oljekylning vilka gör systemen svårare än nödvändigt att realisera. Koncept H som enligt Pugh-matrisen var det vinnande konceptet har här rangord- nats på en andra plats. Anledningen till att detta koncept inte vidareutvecklas beror framförallt på den komplexa fjädringsanordningen “Tvådelad ram”, se appendix D för detaljerad information. Koncept A har genomgående bra betyg i alla matriser och bedöms till det vinnande 29 5. Konceptval konceptet för vidareutveckling. Konceptet är det minst komplexa och har många likheter med hur vanliga minimotorcyklar brukar utformas. Alla komponenter som behöver beställas in finns dessutom tillgängliga på marknaden. Tabell 5.7: Kesselring-matris för det mekaniska systemet Kriterier & Benämning w v t v t v t v t v t v t v t Miljö Livslängd 3 5 15 4 12 4 12 4 12 4 12 2 6 4 12 Bromssträcka 4 5 20 5 20 4 16 4 16 4 16 2 8 4 16 Prestanda Styrning 3 5 15 4 12 4 12 2 6 4 12 4 12 4 12 Grepp?mot? marken 3 5 15 3 9 3 9 4 12 3 9 3 9 3 9 Tillverkning Vikt 3 5 15 4 12 3 9 3 9 2 6 4 12 3 9 Montering 5 5 25 4 20 4 20 2 10 2 10 5 25 3 15 Konstruktion Antal? komponenter 3 5 15 4 12 4 12 2 6 2 6 4 12 3 9 Risk?för? överhettning 3 5 15 3 9 3 9 4 12 5 15 3 9 5 15 EnergiI effektivitet 3 5 15 4 12 2 6 3 9 3 9 3 9 3 9 Ergonomi 2 5 10 4 8 3 6 5 10 3 6 4 8 4 8 Kostnad 2 5 10 4 8 3 6 3 6 2 4 4 8 3 6 Total 55 170 43 134 37 117 36 108 34 105 38 118 39 120 Rel.&Total 1 1 0,782 0,788 0,673 0,688 0,655 0,635 0,618 0,618 0,691 0,694 0,709 0,706 Medel 5 15,5 3,909 12,182 3,364 10,636 3,273 9,818 3,091 9,545 3,455 10,727 3,545 10,909 Median 5 15 4 12 3 9 3 10 3 9 4 9 3 9 Rangordning 21 4 5 6 3 Ideal Koncept&A Koncept&D Koncept&E Koncept&F Koncept&G Koncept&H 5.3 Val av elsystem Matriserna för elsystemet är baserade på en utförd litteraturstudie om elektriskt drivna fordon, se teoriavsnitt 2.3 samt appendix E. Vid val av batterityp har separata matriser skapats för att förtydliga valprocessen. 5.3.1 Morfologisk matris för elsystemet För elsystemet har en morfologisk matris tagits fram utifrån idégenerering, se tabell 5.8. För mer utförlig beskrivning av de ingående elementen se appendix E. 30 5. Konceptval Tabell 5.8: Morfologisk matris för elsystemet Delsystem A B C D E F G Motor BLDC PMSM Squirrel.cage Wound. rotor Electromagnet Serie9 magnetiserad Separat9 magnetiserad Energikälla Batteri Bränsleceller Ultra9 kondensator Svänghjul Motordrivare Benjamin. Vedder Tillhörande. motordrivare Arduino Raspberry.Pi Laddnings: system Vägguttag. Externt. laddsystem Internt. laddsystem Mekanisk Standardiserad. laddstation Induktions9 laddning Solceller Acceleration/ Retardation Gashandtag Knapp Båtreglage Pedal Mixerbord Joystick För att få en överskådlig process har dellösningar kombinerats för att få fram nio koncept, se tabell 5.9. Här har det tagits i beaktning att komponenterna ska kun- na samverka. Flera av komponenterna måste byggas utifrån motorn och därav är koncepten namngivna efter vilken motortyp de använder. Tabell 5.9: Resultat för den morfologiska matrisen för elsystemet Komponent Serie+ magnetiserad Separat+ megnetiserad BLDC BLDC4m.4 tillhörande4 motordrivare PMSM Squirrel4Cage Wound4rotor Electro+ magnet Wound4rotor4 m.4svänghjul Motor Serie% magnetiserad Separat% magnetiserad BLDC BLDC PMSM Squirrel7Cage Wound7rotor Electro% magnet Wound7rotor Energikälla Batteri Ultra% kondensator Batteri Batteri Bränsle%celler Ultra% kondensator Batteri Ultra% kondensator Svänghjul Motordrivare Arduino Raspberry7Pi Benjamin7 Vedder Tillhörande7 motordrivare Tillhörande7 motordrivare Tillhörande7 motordrivare Tillhörande7 motordrivare Tillhörande7 motordrivare Tillhörande7 motordrivare Laddnings+ system Externt7 laddsystem Solceller Standardiserad7 laddstation Vägguttag Vägguttag Internt7 laddsystem Solceller Externt7 laddsystem Internt7 laddsystem Acceleration /Retardation Knapp Joystick Gashandtag Pedal Gashandtag Gashandtag Knapp Mixer%bord Båtreglage Några komponenter kan konstateras vara en mer konventionell lösning för en eldri- ven minimotorcykel, exempelvis laddningsbara batterier, standardiserad laddnings- station och ett gashandtag. Några av komponenterna i de övriga koncepten är dock inte lika vanliga i ett elektriskt drivet fordon. Exempel på detta är svänghjul som inte används kommersiellt än och ultrakondensator som främst används i elhybrid- fordon. Det bör tas i beaktning att syftet med metoden i detta fall var att hålla ett öppet sinne för alla typer av lösningar. 5.3.2 Elimineringsmatris för elsystemet För att sålla bland koncepten och komma fram till ett konceptval har en elimine- ringsmatris applicerats på de koncept som togs fram ur den morfologiska matrisen. I tabell 5.10 elimineras de koncept som inte uppfyller ett eller flera av kraven i krav- specifikationen. Utöver kraven uppskattas konceptens potential att kunna realiseras 31 5. Konceptval inom tidsramen, ha rimlig kostnad samt hållas inom projektbeskrivningen. Fem koncept eliminerades då de ansågs löpa en risk att ej uppfylla dessa krav. “PMSM” uteslöts då bränsleceller är relativt dyra jämfört med batterier. “Squirrel Cage” och “Wound rotor” eliminerades då de ansågs vara för tidskrävande samt på grund av att styrningen ansågs vara för komplex. Electromagnet togs bort då lösningen ej ansågs vara lämplig för fordon. “Wound rotor m. svänghjul” riskerar att hamna utanför viktkraven i kravspecifikationen. Övriga koncept ansågs kunna uppfylla elimineringsmatrisens kriterier. Tabell 5.10: Elimineringsmatris för elsystemet . In om &p ro je kt be sk riv ni ng en ? U pp fy lle r&m ilj ö8 oc h& la gk ra v? Ha st ig he t&> 25 &k m /h ? Ha st ig he t&i &5 % &b ac ke &> 20 & km /h ? Kö rs tr äc ka &u ta n& la dd ni ng && >1 0k m ? La dd ni ng sb ar ? La dd tid &< 12 h? Kl ar ar &a v& m åt tli ga &m än gd er & da m m &o ch &g ru s&v id &fr am fa rt & på &a sf al t? Lä tt m an öv re ra d? Li vs lä ng d& >1 00 0& km ? In om &ri m lig &k os tn ad ? G en om fö rb ar &in om & tid sr am en ? Vi da re ut ve ck la s? Kommentar Serie8 magnetiserad Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Uppfyller*alla*krav Separat8 magnetiserad Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Uppfyller*alla*krav BLDC Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Uppfyller*alla*krav BLDC&m.& tillhörande& motordrivare Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja *Ja Ja Ja Ja ja Ja Uppfyller*alla*krav PMSM Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Nej Nej Dyrt*med*bränsleceller Squirrel&cage Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Nej * * * Nej För*komplex*styrning*inom* tidsramen Wound&rotor Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Nej Nej För*komplex*styrning*inom* tidsram Electromagnet Nej Nej Olämplig*för*fordon Wound&rotor& m.&svänghjul Nej Nej Väger*för*mycket 5.3.3 Pugh-matris för elsystemet Efter elimineringsmatrisen återstod fyra koncept för granskning i Pugh-matrisen, se tabell 5.11. Konceptet “Seriemagnetiserad” användes som referens vid värdering av koncepten. 32 5. Konceptval Tabell 5.11: Pugh-matris för elsystemet Kriterier Serie' magnetiserad BLDC BLDC2m.2 tillhörande2 motordrivare Separat' magnetiserad Verkningsgrad + + S Energitäthet S S 1 Livslängd + + + Styrning S S S Enkelhet S S 1 Vikt + + + Ljud S S S Maxhastighet + + S Robusthet 1 1 1 Kostnad 1 1 + Kompetens + S 1 Nettovärde 0 3 2 '1 Rangordning 3 1 2 4 R E F E R E N S Utifrån Pugh-matrisen kan det utläsas att konceptet “BLDC” fick bäst resultat och konceptet “Separatmagnetiserad” fick sämst. “BLDC” överträffade referenskon- ceptet på flera kriterier, till exempel saknar BLDC-motorn borstar vilket mins- kar friktionen i motorn och ger en högre verkningsgrad, till skillnad från motorn i referenskonceptet[3]. Konceptet “Separatmagnetiserad” fick sämst resultat för att den innehåller en ultrakondensator som har sämre energitäthet och är svårt att enbart användas i ett eldrivet fordon. Konceptet “BLDC med tillhörande motor- drivare"är ett färdigköpt kit. Detta koncept hamnade på andra plats då det fanns bättre möjlighet till stöd för motordrivaren Benjamin Vedder". 5.3.4 Kesselring-matris för elsystemet Kesselring-matrisen ger genom viktade kriterier ett mer rättvist resultat. Även denna matris styrker konceptet “BLDC”. Den avgörande faktorn till detta är att BLDC"har tillgång till lättåtkomligt stöd från utvecklaren. Med detta som underlag valdes kon- ceptet BLDCätt vidareutvecklas. En mer detaljerad förklaring kring komponenterna beskrivs i appendix E. 33 5. Konceptval Tabell 5.12: Kesselring-matris för elsystemet Kriterier & Benämning w v t v t v t v t v t Verkningsgrad 2 5 10 2 4 4 8 4 8 2 4 Energitäthet 3 5 15 4 12 4 12 4 12 1 3 Livslängd 3 5 15 2 6 5 15 5 15 4 12 Styrning 4 5 20 4 16 4 16 4 16 4 16 Enkelhet 4 5 20 4 16 4 16 4 16 2 8 Vikt 2 5 10 2 4 4 8 4 8 4 8 Ljud 1 5 5 4 4 4 4 4 4 4 4 Maxhastighet 3 5 15 3 9 5 15 5 15 3 9 Robust 4 5 20 4 16 3 12 3 12 2 8 Kostnad 3 5 15 5 15 3 9 3 9 5 15 Kompetens 3 5 15 2 6 5 15 2 6 1 3 Total 55 160 36 108 45 130 42 121 32 90 Rel.&Total 1 1 0,655 0,675 0,818 0,813 0,764 0,756 0,582 0,563 Medel 5 14,545 3,273 9,818 4,091 11,818 3,818 11,000 2,909 8,182 Median 5 15 4 9 4 12 4 12 3 8 Rangordning 13 2 4 Ideal SerieC magnetiserad BLDC BLDC&m.& tillhörande& motordrivare SeparatC magnetiserad 5.3.5 Konceptval av batteri Med underlag av tidigare matriser beslutades att batterier ska utgöra minimotorcy- kelns energikälla. Under valet av batteri uteslöts en morfologisk matris då det endast var en typ av komponent som utvärderades. De olika alternativen som har utretts är egentillverkade batteripaket, elcykel-batterier, bilbatterier och RC-batteripaket. 5.3.5.1 Elimineringsmatris för batterier För att sålla ut koncept och komma fram till ett konceptval har en elimineringsmatris applicerats. I tabell 5.13 elimineras koncepten som inte uppfyller minst ett av kraven i kravspecifikationen. Tre koncept togs bort då de var svåra att realisera. Dessa utgjordes av “Egentill- verkade batteripaket”, “Elcykel-batteri” och “Bilbatteri”. “Egentillverkade batteri- paket” som skulle tillverkas av battericeller togs bort eftersom det ansågs vara för komplext att sätta ihop inom tidsramen. Bilbatteri kräver mycket utrymme och an- ses vara svår att placera i en minimotorcykel. “Elcykel-batteri” sållades ut på grund av att de som hittats har för låg C-konstant, det vill säga den kommer inte att släppa ifrån sig tillräcklig ström för att uppfylla hastighetskravet. 34 5. Konceptval Tabell 5.13: Elimineringsmatris för batterierna . In om &p ro je kt be sk riv ni ng en ? U pp fy lle r&m ilj ö8 oc h& la gk ra v? Ha st ig he t&> 25 &k m /h ? Ha st ig he t&i &5 % &b ac ke &> 20 &k m /h ? Kö rs tr äc ka &u ta n& la dd ni ng &&> 10 km ? La dd ni ng sb ar a? La dd tid &< 12 h? Kl ar ar &a v& m åt tli ga &m än gd er &d am m & oc h& gr us &v id &fr am fa rt &p å& as fa lt? Lä tt m an öv re ra d? Li vs lä ng d& >1 00 0& km ? In om &ri m lig &k os tn ad ? G en om fö rb ar &in om &ti ds ra m en ? Vi da re ut ve ck la s? Kommentar Egentillverkade& batteripaket Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Nej Nej Ej'lättmövrerad,'efter'det'blir'för' komplext'att'sätta'ihop Elcykel8batteri Ja Ja Nej Nej Har'för'låg'C>konstant Bilbatteri Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Nej Nej För'stort'och'tungt RC8batteripaket Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja 'Ja Ja Ja Ja ja Ja Uppfyller'alla'krav Utifrån elimineringsmatrisen kunde det konstateras att endast ett rimligt alternativ återstod, “RC-batteripaket”. Därför uteslöts både Pugh- och Kesselring-matrisen. RC-batterier fanns att köpa hos bland annat återförsäljare i Stockholm, Göteborg och Kina. Batterierna från Sverige var betydligt dyrare än de från Kina så därför valdes återförsäljaren i Kina. De vanligaste alternativen var NiMH, LiPo samt litium järnfosfat vilket det sistnämda är ett slags Li-jon batteri. LiPo-batterierna valdes till slut på grund av att de erbjuder en hög effekt till det billigaste priset. Figur 5.2 visar den stegvisa vägen för valet av batteriet, där den blå färgen indikerar vilka val som gjorts. Figur 5.2: Val av batteri 35 5. Konceptval 5.4 Val av hela systemet Ett konceptval för ram, mekaniskt- och elektriskt system har fattats. Dessa tre sågs som möjliga att kombinera med hänsyn till plats för komponenter och teknisk integrering. Att hitta ett bättre totalkoncept genom korsbefruktning av de övriga koncepten sågs inte som möjlig. Med det som grund valdes alltså “Triangellåda m. I- balk”, “Koncept A” och “BLDC” tillsammans till konceptet som ska vidareutvecklas. Efter detta steg följer konstruktion, beräkningar och simuleringar för de ingående komponenterna. 36 6 Konstruktion & prototyptillverkning Eftersom konstruktion och prototyptillverkning löpt parallellt under projektet be- handlas dessa ihop. Avsnittet är, likt konceptvalet, indelat i tre delar; ram, mekaniskt system samt elsystem. I dessa delar behandlas konstruktionsdetaljer, simuleringar och beräkningar. 6.1 Konstruktion av ram Ramkonceptet “Triangellåda m. I-balk” valdes under konceptvalsfasen. Detta kon- cept har sedan vidareutvecklats och utgjort grunden för ramkonstruktionen. Konceptet som tidigare nämnts består av en låda förstärkt med två I-balkar som löper längs med lådan. För att få en uppfattning av lådans hållfasthetsegenskaper exklusive I-balkarna simulerades först denna i Ansys. Simuleringarna visade att lådan i sin kritiska punkt känner en spänning på knappt 8 MPa då lådan belastas med en vikt av 140 kg, se figur 6.1. Vikten är överdimensionerad med 40% marginal gentemot kravspecifikationen. Aluminiumlegeringen 1050A har en sträckgräns på upp till 145 MPa[20], vilket innebär att ramen har en säkerhetsfaktor på över 15 mot sträckgränsen. Med detta som grund ansågs I-balkarna överflödiga och ersat- tes med en kryssformad förstärkning i mitten av lådan. Förändringen leder till en enklare konstruktion vilket enligt projektbeskrivningen är eftersträvansvärt. Spän- ningskoncentrationer uppstår vid infästningen för bakaxeln och på sadeln som visas i figur 6.1. Infästningen för bakaxeln förstärktes senare med en 3mm plåtbit. 37 6. Konstruktion & prototyptillverkning Figur 6.1: Spänningskoncentrationer vid bakaxeln och sadeln Efter att förstärkningen introducerades i modellen utfördes simuleringar på nytt, vilka visade att utböjningar och spänningar blir små. Dessa utböjningar sker på okritiska områden och uppgår till maximalt 0,0165 mm, se figur 6.2. Eftersom spän- ningarna är små blir också risken för buckling och sprickinitiering liten. Spänningen uppstår vid hålet för gaffeln och uppgår till 30 MPa, se figur 6.3. Den ökade spän- ningen gentemot spänningen i figur 6.1 beror på hålet för framgaffeln som tillkommit i konstruktionen. Övriga konstruktionen bedöms klara av lasten på 140 kg utan pro- blem. Figur 6.2: Kraftigt förstärkt utböjning kring den kryssformade förstärkningen Figur 6.3: Spänningar i ramen kring den kryssformade förstärkningen 38 6. Konstruktion & prototyptillverkning För att underlätta för underhåll av komponenterna inuti lådan har hål med täckande lucka placerats på högra sidan av minimotorcykeln, se figur 6.4. Figur 6.4: Ramens utformning På vänstra sidan av ramen är motorn fäst i en lucka som är enkel att avlägsna och erbjuder därmed enkelhet vid underhåll av motor och transmission. På högra sidan av ramen är motoraxeln stödd av en lagerbock för att ta upp krafter från transmis- sionen vilket krävs då motorn får en lång hävarm mellan skruvförband och drev. Ifall motorn inte stöds upp i axeln kommer det uppstå stora krafter på motorns infästning vilket kan leda till brott i plåten eller dålig kedjespänning. Motordriva- ren har placerats längst fram i ramen för att kunna komma åt den från öppningen i sidan på lådan. Delvis för att visa vattenskärarens möjligheter, men framförallt av estetiska skäl är “Chalmers” skrivet i stora bokstäver längs sidorna på lådan. Hålen ökar risken för att damm och smuts når in till komponenterna inuti lådan. Eftersom minimotorcykeln ska fungera som demonstrator anses dock de vattenskur- na utsmyckningar på sidorna vara befogade. 6.2 Konstruktion av mekaniskt system Det mekaniska systemet utgörs av detaljer som varken hör direkt till ramen eller det elektriska systemet. Majoriteten av det mekaniska systemet utgörs av komponenter för bromsar, hjul, transmission, riktningsändring, kylsystem, fjädring samt position för förare. De flesta komponenter har valts att beställas in av leverantörer. De de- lar som egentillverkats är framgaffel, sadel, fotpinne samt 3D-printade detaljer för invändig layout. 6.2.1 Bromsar Bromssystemet dimensioneras efter en önskad bromssträcka på 15 m. Med en linjär retardation från 45 km/h till stillastående beräknas ett bromsmoment på 32,8 Nm vara nödvändigt. För att uppfylla kravet om en bromssträcka på 20 m från 45 km/h krävs 24,6 Nm. Se beräkningar i appendix F. 39 6. Konstruktion & prototyptillverkning För att uppnå det önskade bromsmomentet bör bromsbeläggen ha en vinkel på minst 21,4°. Mätning av de valda bromsbeläggen visar en vinkel på 21,5°, vilket bör vara tillräckligt. Den mekaniska skivbromsen tillsammans med den elektriska motorbromsen bedöms därmed utgöra ett tillräckligt bra bromssystem för att stanna minimotorcykeln i alla lägen. Bromsoket är placerat vid minimotorcykelns bakhjul och är kopplat till ett enkelt bromshandtag monterat på styret. Anledningen till att den mekaniska skivbromsen är placerad bak är att undvika att minimotorcykeln ska tippa över sitt eget styre vid kraftig inbromsning. 6.2.2 Hjul Hjulen som köpts in består av aluminiumfälg omgiven av en klassisk slang fylld med luft och gummi som kontaktmaterial mot vägunderlaget. Däcken erbjuder en god friktion mot vägbanan och därmed erhålls en bra väghållning samt minimerad bromssträcka. Denna typ av hjul är vanligt förekommande på marknaden, vilket underlättade inköp. Hjulens ytterdiameter är 12 tum och anses vara standard för minimotorcyklar. Genom både framhjul och bakhjul löper 10 mm hjulaxlar som fästs med muttrar på utsidan av ramen. Vardera hjulaxel håller två kullager av typ SKF 6000 2Z samt egentillverkade distanser. Distanserna är anpassade för att hjulens mitt ska ligga längs motorcykelns centrumlinje. De säkerställer även att bromsskiva och drev ligger rätt positionerade i förhållande till angränsande komponenter. 6.2.3 Transmission Den elektriska motorcykeln drivs med hjälp av bakhjulsdrift och kedja. Ett mindre drev med 11 kuggar är fäst vid motorns axel och ett större drev med 64 kuggar är monterat vid den bakre hjulaxeln. Detta resulterar i en utväxling på 5,8 gånger. Det lilla drevet tillverkades i Prototyplaboratoriet eftersom det drev som initialt inhand- lats var konstruerat för en grövre kedja. Det egentillverkade drevet vattenskars och svarvades ned för att passa motorns axel. Drevet svetsades även fast på en distans för att kunna fästas på rotorn. Mellan de två dreven placerades en kedja för att överföra motorns vridmoment till hjulen och på så sätt ge motorcykeln en hastighet framåt. För att kunna reglera axelavståndet har en anordning för kedjespänning konstrue- rats. Den bakre hjulaxeln ligger i en på ramen utskuren skåra och kan förflyttas i horisontal-led. Med hjälp av en skruv och mutter kan sedan hjulaxeln spännas bakåt till önskat avstånd. 40 6. Konstruktion & prototyptillverkning 6.2.4 Framgaffel Hela framgaffeln är konstruerad i bockad plåt. Gaffelbenen är dubbelbockade för ökad styvhet och avrundade nertill för ett stilrent utseende på en i övrigt kantig komponent. Utöver gaffelbenen består framgaffeln av två stycken gaffelkronor som även de är dubbelbockade för ökad styvhet. Mellan gaffelkronorna sitter en axel för att kunna vinkla gaffeln i förhållande till ramen. För att underlätta rotationen sitter en bussning i mässing mellan den undre kronan och ramen. Spänningen och utböjningen har simulerats med resultat i figur 6.5. Spänningen uppgår enligt simuleringen som max till 77 MPa medan utböjningen uppgår 0,2 mm som mest. Med detta som bakgrund beräknas gaffeln hålla för dess påfrestningar. Figur 6.5: a) Effektivspänning i framgaffeln b) Kraftigt förstärkt utböjning i fram- gaffeln Gaffelvinkel och försprång har uppmätts i CAD-konstruktionen till 28° respektive 38 mm. Detta resulterar i en kontrollerbar minimotorcykel i både låga och höga hastigheter[11]. Självstyrande effekt kommer uppstå vid högre hastigheter men mi- nimotorcykeln kommer fortfarande vara manövrerbar i låga hastigheter. För att vrida framgaffeln och på så sätt ändra riktning på motorcykeln är fram- gaffeln kopplad till ett styre. Styret består av ett stålrör som är fastskruvad i en U-formad fästanordning tillverkad av plåt pressad i en hydraulisk verkstadspress. Fästanordningen är i sin tur fastnitad i den övre styrkronan, se figur 6.6. Genom fästanordningen och styret går två skruvar som håller styret på plats, dessa är dock ej synliga i figuren. 41 6. Konstruktion & prototyptillverkning Figur 6.6: Fästanordning för styrpinne En instrumentbräda har även konstruerats i svart PLA-plast för att täcka gaffelns övre del samt hålla strömbrytaren på plats. Vid styrets ändar är handtag fästa för att ge ett bättre och mer ergonomiskt grepp. Handtagen är 3D-printade i en blå, elastisk plast kallad NinjaFlex. Framsidan är prydd med ett galler samt texten “Chalmers”. Gallret har som huvud- uppgift att tillåta luft att strömma igenom ramen för att kyla batterier, motor samt motordrivare. 6.2.5 Kylsystem Luftkylning anses räcka som kylningsmedel då ramen och framgaffeln är konstrue- rade för släppa igenom ett kontinuerligt flöde av luft. Produktspecialister hos åter- försäljaren kunde bekräfta att luftkylning borde räcka som kylmedel för batterierna. Det ansågs även tillräckligt för övriga elektriska komponenter. 6.2.6 Fjädring För att hålla konstruktionen enkel prioriterades en potentiell fjädringsanordning bort. Fjädringsanordningen ansågs inte bidra med tillräckligt mervärde för produk- ten då fokus på minimotorcykelns enkelhet vägde tyngre. 6.2.7 Sadel Sadeln bedömdes klara av spänningskoncentrationerna i 6.1, men konstruerades om för att avlasta spänningen, underlätta för tillverkningen och göra reparationer mer lättillgängliga. Bockens lilla radie gjorde den svår att tillverka och gav upphov till onödiga spänningskoncentrationer. För att underlätta för reparationer konstruerades en avtagbar lucka enligt figur 6.7. 42 6. Konstruktion & prototyptillverkning Figur 6.7: Sadel med avtagbar lucka. Sadeln är designad med lutande, ovala hål på sidorna, samt en rundad form i bakre sidan för att mjuka upp de i övrigt kantiga formerna. För att behålla det råa utse- endet har ingen sittdyna tillverkats. Sadeln har en vinkel på 10 grader framåt för att underlätta för en lätt framåtlutande och bekväm sittställning. 6.2.8 Övriga komponenter Minimotorcykelns fotstöd består av ett långt stålrör. Placeringen hade optimalt legat inne i lådan men på grund av bristande utrymme arrangeras en fästning på undersidan av ramens utsida. En likadan fästanordning som användes för att fästa styre med framgaffel nyttjas även för fotpinnarna. 6.3 Konstruktion av elsystem Utifrån matriserna har ett koncept med bland annat en BLDC-motor och batteri valts. För att kunna dimensionera de olika delarna i systemet har vissa beräkningar gjorts. Beräkningarna ger en uppskattning om hur mycket effekt och kapacitet de olika delarna i systemet behöver för att uppfylla kravspecifikationen. 6.3.1 Dimensionering och val av motor Motorcykeln behöver minst kunna köra i 25 km/h i en 5% brant backe. Beräkning- arna kommer emellertid ta hänsyn till den önskade hastigheten i kravspecifikationen och dimensionera motorn så att den i teorin kan köra 45 km/h i 10% lutning. Nedan följer en sammanfattning av de beräkningar som utförts. Fullständiga beräkningar finns i appendix G. 43 6. Konstruktion & prototyptillverkning När motorcykeln accelererar i uppförsbacke kommer motorn att kräva maximal ef- fekt. Denna kan beräknas genom ekvation (6.1) Pmax = Ftot · v (6.1) Där Ftot är den resulterande kraften på motorcykeln och v är maxhastigheten 45 km/h. De krafter som påverkar motorcykeln vid acceleration i uppförsbacke är accelera- tionskraften Fa, rullmotståndet Ff , luftmotståndet Fluft och den tangentiella kraften Fg. Dessa krafter visas i figur 6.8 mg Ff Fa Fluft α Figur 6.8: Krafter som påverkar minimotorcykeln[12] Den resulterande kraften och krafterna som påverkar motorcykeln beräknas genom följande ekvationer Ftot = Fa + Ff + Fg + Fluft (6.2) Fa = ma (6.3) Fg = mg · sinα (6.4) Ff = mg · cosα · fr (6.5) Fluft = −ρ 2 · A · Cd · v2 (6.6) 44 6. Konstruktion & prototyptillverkning där ρ är luftdensiteten 1,146 kg/m3, Cd är luftmotståndskoefficient 0,7, A är fron- talarean 0,8 m2, v är maxhastigheten 12,5 m/s, fr är friktionskonstanten 0,0015, m är 130 kg och a beräknas enligt ekvation (6.7) a = v2 2 ·Bs (6.7) där Bs är bromsträckan som enligt kravspecifikationen ska vara högst 20 m vid maximal hastighet. Utifrån detta beräknas den resulterande kraften cirka till 330 N och den maximala effekten cirka 4 kW. Motorn och transmissionen antas tillsammans ha en verknings- grad på cirka 80%. Detta medför att det behövs en maximal effekt för motorn på cirka 5,1 kW. Hjulets omkrets, Ohjul, är 958 mm. Motorcykeln maxhastighet, v, är cirka 12,5 m/s. Detta gör att frekvensen för däcket blir ungefär 13 Hz. Hjulets varvtal, nhjul kan därmed beräknas till 780 rpm. Utväxlingen är 1:5,8 vilket ger att motorns varvtal är ungefär 4500 rpm. En motor bör ligga på cirka 70% av dess maxvarvtal för att få ut maximal effekt. Detta medför att vid val av motor bör dess maxvarvtal vara ungefär 6500 rpm. En BLDC-motor som uppfyller detta varvtal och maxeffekt är Turnigy RotoMax 50 cc Size Brushless Outrunner Motor från HobbyKing. Denna har en maxeffekt på 5,3 kW, ett maxvarvtal på cirka 7500 rpm samt en maxspänning på 44 V. Varvtalet är högre än det beräknade, men denna motor var den närmaste som hittades på marknaden. Det högre varvtalet antogs fungera. En bild på denna motor visas i figur 6.9. Figur 6.9: Turnigy RotoMax 50 cc Size Brushless Outrunner Motor Enligt kravspecifikationen så ska minimotorcykeln ha en räckvidd på 10 km. Sträc- kan som motorcykeln ska kunna köra delas upp i sex olika delar • s1 = 50% av sträckan är körning på plan mark 45 6. Konstruktion & prototyptillverkning • s2 = 10% av sträckan är körning i uppförsbacke • s3 = 10% av sträckan är körning i nedförsbacke • s4 = 10% av sträckan är acceleration på plan mark • s5 = 15% av sträckan är acceleration i uppförsbacke • s6