Gearwheel® – FEM-analys i ABAQUS samt designförslag för växlat rullstolsnav

Sammanfattning Examensarbetet behandlar analys och beräkning av ett modifierat cykelnav vilket är tänkt att sitta på en rullstol samt design och materialförslag för hjul. Utgångsläget var ett på marknaden idag vanligt förekommande cykelnav som bearbetats för att passa de krav en rullstolsanvändare ställer på produkten. T.ex. är frihjulsfunktionen hos cyklar ej önskvärd hos rullstolar och därför borttagen. Målet för uppdragsgivaren Gearwheel AB är att konstruera ett hjul där inget annat skiljer sig från dagens förutom växlarna. Känslan skall vara identisk med dagens hjul i fråga om greppringens geometri, glapp och vibrationer. Rullstolsnavet antogs vara överdimensionerat och analyser av respektive växlar modellerades och beräknades i ABAQUS. Detta för att hitta alternativa material och omkonstruktioner för att minimera vikten på navet, då detta är av stort intresse för företaget i säljsyfte. Navet innebär ovillkorligen en viktökning jämfört med oväxlade nav som endast består av en enkel axel. Beräkningarna visade dock att vridmomentet som påverkar växlarnas ingående delar inte skilde sig markant från cykelns, vilket innebar att hållfastheten på materialet inte kunde ändras nämnvärt. Detta begränsade materialvalet till liknande det rostfria stål som orginalnavet var konstruerat av och titan. Titan är dock en dyr och exklusiv metall som ansågs som mindre trolig som konstruktionsmaterial. Möjlighet för alternativa material fanns i navets ytterhölje då detta inte var lika kraftpåkänt som de inre rörliga delarna. Därför gjordes designförslag på hjulet som helhet enligt de vanligt förekommande produktutvecklingsmetoderna.Abstract This master thesis considers the analysis and calculation of a modified bicycle hub, intended for a wheelchair, including design and material suggestions for the wheel. The initial hub was a common bicycle hub, which had been worked on to accommodate the demands of a wheelchair user. The bicycles function of free wheel is not desirable and therefore taken out of the construction. The goal of the principal Gearwheel AB is to design a wheel, where nothing else differs from the current, than the gearing system. The feel of the wheel should be identical to the current regarding the geometry, play and vibration of the grip ring. The gear wheel hub was assumed to be over dimensioned, and therefore analysis’s for each gear was modelled and calculated using ABAQUS. This was done for the purpose of finding alternative materials and reconstructions to minimize the weight of the hub. This was of great interest of the company for selling purposes. The hub is undoubtedly adding weight to the wheel compared to an ordinary wheel with just a single axle. The calculations however showed that the torque affecting the gear parts did not differ much from the bicycle, which meant that material’s strength could not be changed to a greater extent. This restricted the material choice to materials similar to the existing stainless steel or titanium. Titanium, however, is an expensive and exclusive material and the use of it was considered limited. The possibility of alternative materials was found in the cover of the hub, for the reason of lower strength demands than the inner parts of the hub. Therefore design suggestions were made for the entire wheel according to the common product development theories