This examination project has been performed in collaboration with Husqvarna AB, one of the world’s leading manufacturers of both commercial and professional garden products such as chainsaws, trimmers and lawnmowers. Husqvarna AB always strive to develop and improve new and existing products and components to ensure an attractive product and a competitive position on today’s market   One of these components is filled balances. This is a component unique to the company and is one of the parts in their fuel-powered chainsaws. This component is placed on the crankshaft to increase compression in the crankcase, hence increasing the power of the chainsaw. The problem with the product today is the constantly changing fit on the weights and the complexity of the manufacturing process.   The examination contains the conceptual development of these filled balances with the goal to contribute with several realizable concepts that solve these problems and simultaneously increase the products durability.   This report describes the conceptual process and walks the reader threw the necessary steps that finally leads to a finished concept. The report describes the theories and softwares used in this project and how they were used to end up with two finished conceptual solutions.   The final results are presented at the end of the report with images of the final concepts, simulations and the conclusions this report lead to. / Examensarbetet har utförts i samarbete med Husqvarna AB i Huskvarna som tillverkar utomhusprodukter för kommersiellt och professionellt bruk, såsom motorsågar, trimmers och gräsklippare. Husqvarna AB är idag ett världsledande företag som ständigt arbetar med förbättringar av deras produkter och dess komponenter för att garantera attraktiva produkter och en konkurrenskraftig position på dagens marknad. En av deras komponenter till deras bensindrivna motorsågar är den fyllda balansen. Komponenten monteras på balansvikterna inne i vevhuset på motorsågen och är till för att fylla ut de tomrum som finns runt balansvikten. De fyllda balanserna är till för att öka kompressionen i motorn vilket leder till att den ger en högre effekt. Dagens lösning är dock komplicerad att tillverka samt att toleransen skiftar vilket kan leda till att varje exemplar greppar olika runt balansvikterna. Examensarbetet omfattar en konceptutveckling på dessa fyllda balanser med mål att bidra med ett eller flera realiserbara koncept som uppfyller de krav som ställs på produkten. Rapporten beskriver hur projektet har genomförts från start till två färdiga koncept. I kapitlet Teoretisk bakgrund beskrivs de olika metoder och teorier som använts för det kreativa och innovativa tänkandet som sedan nyttjas i kapitlet Genomförande där alla idégenereringar och koncept presenteras. Resultatet pressenteras i slutet av rapporten i form av tredimensionella modeller av de koncept som framtagits under projektets gång. Läsaren kan här även ta del av den simuleringsdata som gjorts och vilka slutsatser de har lett till.

En studie genomförs gällande en eventuell variation av elasticitetsmodulen i Volvo Cars vevaxlar vilka levereras av underleverantör. Syftet är att möjliggöra framtida Finita element-analyser (FE-analyser) gällande den skärande bearbetning vevaxlarna utsätts för hos Volvo Cars, således önskas en undersökning göras om dessa FE-analyser kan genomföras med en konstant elasticitetsmodul. Två 4-cylindriska vevaxlar av typ 2 erhålls av Volvo Cars, vilka delas upp i fyra delar vardera och används i två experiment. Där utförande ett var ett tryckprov i dragprovmaskin på Högskolan i Skövde, samt utförande två där experiment ett efterliknas med randvillkor och last med FE-analyser och utfördes vilka utförs i programvaran Abaqus CAE. Även tre mindre delmoment utförs, ett, där vevaxeldelarna tilläts att återfjädra, två, undersökning av spännings-koncentrationer i Abaqus CAE för att undersöka en eventuell plasticering, samt tre, utförande av tryckprov i dragprovmaskin och Abaqus där vevaxeldelen utsätts för en omvänd pålagd kraft kraft läggs på från andra hållet. Erhållna resultat visar att en liten variation av E-modul finns inom de två vevaxlarna, en variationsvidd av högst 3,45 %. Denna variation kan förklaras med mätosäkerhet då utförandet med den omvända vevaxeldelen gav ett avvikande procentuellt resultat av 3,16 %, likt variationen av total nedböjning inom de två vevaxlarna. Dock bevisas en större procentuell skillnad av E-modulen i jämförelse mellan de två vevaxlarna, där skillnaden inte enbart kan förklarashärröra från med mätosäkerhet. Genomförda analyser visar att FE-metoden är en tillämpbar metod för att beräkna 4-cylindriga vevaxlars deformation, do E-modul , dock kan det finnas behov för Volvo Cars att utföra ytterligare undersökningar berörande en varierande E-modul mellan olika leverantörer/batcher av råmaterial för vevaxlar. / A study is performed regarding an eventual variation of the Young's modulus in crankshafts from Volvo Cars, which are delivered from subcontractors. The purpose of the study is to enable future FE-analysis regarding the cutting processing that crankshafts are exposed for at Volvo Cars. Thus, an examination are is desired if these FE-analysis can be done with using a constant Young's modulus. Two 4-cylindrical crankshafts are obtained from Volvo Cars, which are partioned divided into four parts each, and each and used in two experiments. Where experiment one, was a pressure compression test in a tensile stress testing machine at the University of Skövde, and experiment two, where experiment one, are is mimicked in the software Abaqus CAE with boundary conditions and load. Also, three part experiments are performed, one where the parts of the crankshaft were allowed to spring back, two where an examination of stress concentrations in Abaqus CAE to examine if the parts of the crankshaft plasticizes and three, where one of the divided crankshaft parts are inverted in the tensile stress test machine to examine measurement uncertainty. The obtained results show that it is a small variation of the Young's modulus in the two crankshafts, with a variation of 3.45 %. This variation can be explained with a measurement uncertainty, because in part experiment three where the paortioneddivided crankshaft part were twisted aroundinverted in the tensile stress test machine show a measurement uncertainty of 3.16 %. The percentage difference between the two crankshafts are bigger, and this can not only originate from a measurement uncertainty. Completed analyses show that FE-analysis is an applicable method to calculate the deformation of crankshafts from engines with 4-cylinders, but it can be a need for Volvo Cars to carry out further investigations regarding a varying Young's modulus between different providers/batches of the raw material for crankshafts.

A crankshaft is a component which is used to convert a reciprocating movement into rotating or vice versa. Through the past years classical manufacturing techniques did not leave space for a new approach regarding manufacturing this component. Powder Metallurgy provides a manufacturing technique which can revolutionize this procedure and make it more economical and more efficient. In order for this to be achieved, the crankshaft must be produced in different pieces. Webs, counter-webs and journal shafts must be produced individually and assembled together. The main challenge in this thesis is to understand if the crankshaft’s counter webs could be manufactured all in the same pieces or in as less pieces as possible. This thesis deals mostly with the technical requirements and proposing a new modular design. A kinematic-kinetic analysis is performed by using the values from the existing crankshaft which has been scanned and converted into a CAD model. The numerical values from the kinetic-kinematic analysis in Matlab are compared with a MBS model from Adams. Then the balancing of the crankshaft is analyzed and it is investigated how the counterweights should be arranged in space and what should be the mass and the geometrical properties of them. From the component’s design specifications, several models are generated and evaluated with the Pugh matrix. The original and the new proposed models are compared as far as concern the mass, center of mass, mass moment of inertia and natural frequencies. / En vevaxel är en motorkomponent som används för att omvandla den fram- och återgående rörelsen hos kolv och vevstake till en roterande rörelse. De klassiska metoderna att tillverka vevaxlar har varit dominerande och inte gett någon plats för alternativa tillverkningsmetoder. Powder manufacturing är en metod som kan revolutionera produktionens effektivitet och ekonomi. För att denna tillverkningsmetod ska vara möjlig måste vevaxeln tillverkas i delar. Webs, counter-weights och journal shafts måste produceras individuellt för att sedan sammanfogas. Den största utmaningen för denna avhandling är att förstå om vevaxelns counter webs kan tillverkas med samma form eller med så få olika former som möjligt. Denna avhandling handlar främst om att fastställa dessa tekniska krav och föreslå en ny, modulär design för PM. En kinematisk-kinetisk analys utförs med hjälp av en befintlig vevaxel som skannats och omvandlats till en CAD-modell. De numeriska värdena jämförs med en MBS-modell från Adams. Vevaxeln analyseras med avseende på balansering då motvikternas placering, massa och geometriska egenskaper undersöks. Nya modeller som följer de tekniska krav som krävs skapas och utvärderas med Pugh-matris. De nya föreslagna modellerna jämförs med den ursprungliga utformningen med tanke på massa, masscentrum, MMOI och egenfrekvenser.

Vid svarvning ställs processer mot höga toleranskrav som kan vara svåra att hålla på grund av vibrationer och utböjning. Företaget Volvo Cars vill därför undersöka stationen OP30, som svarvar vevaxlar, för att utreda varför detta sker. Företaget har även ambitionen att implementera virtuella metoder genom finita elementmetoden (FEM) i produktionen. Detta för att undvika traditionella tillvägagångsätt med fysiska undersökningar som kan belasta produktionen med tidskrävande fysiska tester. För att undersöka orken till att toleranskraven kan vara svåra att uppfylla, undersöks vevaxels utböjning med hjälp av FEM där inspänningsvillkor, centrifugalkrafter och skärkrafter tas i beaktning. Vevaxlarnas egenfrekvenser undersöks även för att verifiera att inga svarvningsmoment utförs i eller i närheten utav kritiska varvtal. För att verifiera de FE-analyser som görs utförs en analytisk beräkning med balkteori av en förenklad geometri med MATLAB. Beräkningen jämförs sedan med FE-analyser, vilket visar att solida modeller som används vid FE-analyser ger tillförlitliga resultat jämfört med balkteori. För att bekräfta den utböjning som fås av FE-analyserna tas en mätningsmetod med lasertriangulering fram som testas i en svarv på Högskolan i Skövde. Resultatet visar att FEM är ett bra tillvägagångssätt vid undersökning av en komplex geometris utböjning. Arbetet visar på att utböjning som uppstår på grund av centrifugalkrafter är liten relativt vevaxelns kasttoleranser och den utböjning som erhålls vid axiell intryckning av vevaxeln. Därav dras slutsatsen att utböjning på grund av centrifugalkrafter inte är den grundläggande orsaken till att kasttoleranser ej uppfylls. Arbetet visar att de viktigaste faktorerna är skärkrafterna och den axiella intryckningen av vevaxeln, samt att det inte föreligger någon risk för att resonans uppstår vid de arbetsförhållanden som gäller i OP30. Arbetet visar att mätningsmetoden med lasertriangulering kan användas vid rotation av vevaxel men att mätutrustningen som har använts inte kan avläsa utböjningen. / During turning, processes are faced with tough tolerances that can be difficult to maintain due to vibrations and bending. The company Volvo Cars would therefore like to examine the work station OP30, which is a turning process for crankshafts, to better understand why this is. The company has the ambition to implement virtual analyses with the finite element method (FEM) in its production lines. This is sought after to prevent physical examinations which can cause delays due to time-consuming physical tests. In order to investigate the causes for the tolerance not being met, the crankshafts deflection will be examined using FE-analyses that will consider the clamping conditions of the crankshaft, the centrifugal forces and the cutting forces. The natural frequencies of the crankshafts are also examined to confirm that the turning process is not carried out near any critical rotational velocities.  In order to verify the FE-analyses performed on the crankshafts, an analytical calculation based on beam theory of a simplified geometry is made using MATLAB. This is then compared with FE-analyses of the same simplified geometry, which shows that solid models used in FE-analyses gives reliable results compared with the beam theory. In order to confirm the deflection that is obtained from the FE-analyses, a measuring method using laser triangulation is developed. This is tested on a lathe at the University of Skövde.  The results of this work show that the FEM is a good approach for examining the deflection of a complex geometry. It also shows that the deflection that occurs due to centrifugal forces can be considered small compared to the tolerances that need to be met and the deflection that occurs due to axial displacement of the crankshaft. Therefore the conclusion is drawn that the deflection due to centrifugal forces is not the main source for the tolerances not being met. The work shows that the most important factors to consider are the cutting forces and the axial displacement of the crankshaft. It also shows that there is no risk of resonance occurring within the work parameters of OP30. The work also shows that the measuring method using laser triangulation can be used on a rotating crankshaft, although the equipment used cannot measure the deflection itself.

Vevaxeldeformation studeras i samband med uppspänning i en virvelfräsmaskin inför en skärande process. Syftet är att öka förståelse om deformationsbeteendet av vevaxelns viktiga funktionsytor genom analysering med Finita elementmetoden (FEM). Volvo Cars i Skövde hanterar i dagsläget oönskad vevaxeldeformation genom tidskrävande fysiska tester. Därför önskar företaget ta stöd av virtuell analysering. Detta arbete leder även till ett fastställande om FEM är ett tillämpbart verktyg att utgå ifrån för att upprätthålla snäva vevaxeltoleranser. Användning av virtuell analysering istället för fysiska tester skulle medföra tidsbesparing och ha positiv inverkan på miljön.  Programvaran Abaqus används för genomförande av deformationsanalyser vilka också utvärderas mot fysiska mätningar i en dragprovmaskin (Instron) för att därigenom säkerställa pålitligheten av använd FE modell.  Analyser genomförs huvudsakligen för deformationsuppkomst av vevaxeln i samband med uppspänning. Två olika typer av vevaxlar analyseras. Till respektive vevaxel skapas en FE modell med ansatta randvillkor och belastningsförhållanden utgående från en genomförd mekanisk analys av vevaxeln. Erhållna resultat visar att bricksidorna av vevaxeln deformeras med i storleksordningen <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?10%5E%7B-2%7D" /> mm då vevaxeln belastas i samband med uppspänning med en hoptryckning på 0,2 mm. Denna deformation anses medföra risk att ett bearbetningsfel kan förorsakas. Analyserna visar även vilka ytor som deformeras mest/minst. Utvärdering mot dragprovning indikerar att riktning på vevaxeldeformation stämmer överens med analyserna, men att avvikelser på deformationsstorleken förekommer. Skillnaden kan möjligen förklaras med att E-modulen varierar inom den testade vevaxeln medan den definierade E-modulen i Abaqus antar ett konstant värde. Dessutom kan eventuella felkällor från dragprovningen ha inverkan på resultatutfallet av de fysiska mätningarna.  Genomförda analyser tyder på att FEM är tillämpbar för analysering av vevaxeldeformation och rekommendationer om en lämplig FE modell tillhandahålls. En potentiell lösning till deformationsproblemet anses vara beräkning av optimal klämkraft vid uppspänning. / Crankshaft deformation is studied in connection with clamping conditions in a whirl milling machine before a cutting process. The purpose of the project is to increase knowledge about the deformation behaviour of the crankshaft and its important functional surfaces by performing analyses using the finite element method (FEM). Volvo Cars in Skövde, Sweden is currently managing unwanted crankshaft deformation occurrence by using time consuming physical testing methods. Therefore, the company wish to use virtual analyses instead of physical tests. This work also leads to a determination if FEM is an applicable tool in order to maintain narrow tolerances of the crankshaft. Using virtual analyses instead of physical tests would be time saving and would also have a positive impact on the environment. The computer software Abaqus is used to implement the deformation analyses that are also evaluated against physical measurements done with a tensile testing machine (Instron) and thereby be able to ensure the reliability of the used FE model. FE analyses are mainly performed to evaluate the deformation of the crankshaft associated with clamping. Two different crankshaft types are being analysed. A FE model is created for each crankshaft along with applied boundary and load conditions according to performed mechanical analysis of the crankshaft. Obtained results show that the thrust bearing sides of the crank pins on the crankshaft deform in the range of <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?10%5E%7B-2%7D" /> mm when the crankshaft is compressed during clamping with 0.2 mm. This deformation is considered to entail a risk for a processing error to occur. At the same time the analyses show which surfaces are most/least deformed. Evaluation according to the tensile testing indicates that the direction of the crankshaft deformation corresponds to the analysis but slight deviation of the deformation magnitude is present. The deviations can be explained by variations of the E-module within the crankshaft while the defined E-module in Abaqus has a constant value. Furthermore, there is a possibility that sources of error from the tensile tests can have an influence on the obtained results from the physical measurements. Conducted analyses indicates that FEM is applicable for crankshaft deformation analyses and recommendations of a suitable FE model are provided. A potential solution of the deformation problem is considered to be the calculation of optimal clamping force.

Sustainability is a major focus for the industry considering the awareness among the public and legislators due to climate change. Automotive manufacturers use many steel products for assembly of vehicles and, many of these products; particularly the heavy and critical components like Front Axle beams and Crankshafts are manufactured using forging process. Due to increased awareness and regulations, all companies are expected to provide environmental impact data relevant to their products. Nonetheless, providing environmental impact data is not yet a common practice in the manufacturing industry, specifically in case of the forged products. Therefore, this thesis aims to establish a comprehensive study of environmental impacts of products namely Heavy vehicle Front Axle Beams, Heavy vehicle Crankshafts, Passenger car Crankshafts and Heavy vehicle steering arms forged at Bharat Forge Kilsta AB and create a baseline for current impact calculations as well as highlight areas for improvement in the future. Lifecycle Assessment (LCA) is used as the method to study the environmental impacts of the forged products. The LCA method in this case is based on ISO 14044 and ILCD Handbook and the impact assessment methods used are EPD (2018) and Cumulative Energy Demand (LHV) v1.0 in accordance with EPD International’s requirements. This research finds that steel and the electricity used in the forging process are the major causes of environmental impacts. To ensure high accuracy of the results of this study, primary data for both steel and electricity is used in the analysis. The LCA results will be published in the form of Environmental Product Declaration (EPD). The CO2 footprint for an average product was found to be 0.89 kg CO2 / kg forged product. Previous studies have utilised average datasets for calculating environmental impacts of forged products which reduce the accuracy of the results. This study, due to the inclusion of primary data of steel manufacturing and electricity generation, provides highly accurate environmental impact results of forged products. / Hållbarhet är ett stort fokus för branschen med tanke på medvetenheten hos lagstiftare och allmänheten på grund av klimatförändringar. Biltillverkare använder många stålprodukter för montering av fordon och många av dessa produkter; speciellt de tunga och kritiska komponenterna som framaxelbalkar och vevaxlar tillverkas med hjälp av smidesprocess. På grund av ökad medvetenhet och bestämmelser förväntas alla företag tillhandahålla data på miljöpåverkan som är relevanta för sina produkter. Icke desto mindre är det ännu inte vanligt att tillhandahålla miljöpåverkansdata inom tillverkningsindustrin, särskilt när det gäller smidesprodukter. Därför syftar denna avhandling till att upprätta en omfattande studie av miljöpåverkan från produkter, specifikt framaxelbalkar för tunga fordon, vevaxlar för tunga fordon, vevaxlar för personbilar och styrarmar för tunga fordon smidda hos Bharat Forge Kilsta AB och skapa en bas för aktuella påverkansberäkningar och för att belysa framtida förbättringsområden. Lifecycle Assessment (LCA) används som metod för att studera de smidda produkternas miljöpåverkan. LCA-metoden i detta fall är baserad på ISO 14044 och ILCD Handbook och de konsekvensbedömningsmetoder som används är EPD (2018)och Cumulative Energy Demand (LHV) v1.0 i enlighet med krav från EPD International. Denna forskning visar att stål och elektricitet som används i smidesprocessen är de främsta orsakerna till miljöpåverkan. För att säkerställa hög noggrannhet av resultaten av denna studie används primärdata för både stål och el i analysen. LCA resultaten kommer att publiceras i form av Environmental Product Declaration (EPD). CO2-avtrycket för en genomsnittlig produkt visade sig vara 0,89 kg CO2/kgsmidd produkt. Tidigare studier har använt genomsnittliga datamängder för att beräkna miljöpåverkan från smidda produkter som minskar noggrannheten i resultaten. Denna studie, på grund av inkluderingen av primärdata för ståltillverkning och elproduktion, ger mycket exakta miljöpåverkansresultat av smidda produkter.