HiGtech är en projektgrupp på Högskolan i Gävle vilka konstruerar och bygger energisnåla tävlingsfordon. Ett av fordonen tävlar i Shell Eco Marathons prototypklass för bensindrivna förbränningsmotorer och drivs av en på högskolan konstruerad motor. Motorns effekt överförs till en kedjetransmission via en inköpt och modifierad centrifugalkoppling. Den nuvarande centrifugalkopplingen väger cirka 1,5 kg. Då en stor faktor för tävlingsresultatet är fordonets rullmotstånd, vilken beror av fordonets vikt, har målet med detta arbete varit att konstruera en specialanpassad centrifugalkoppling, vars vikt endast är hälften så stor som motorns nuvarande koppling. Experiment på motorn, en undersökning av befintliga centrifugalkopplingar samt en litteraturstudie har utförts vilket gav indata för konstruktionsarbetet. Centrifugalkopplingens diameter har optimerats med avseende på låg vikt, där massan av kopplingens nav, trumma och backar tagits fram och jämförts för olika diametrar. Backarnas massa har beräknats med en framtagen beräkningsmodell och navets samt trummans massor har tagits fram genom 3D-modellkoncept. Vidare har en centrifugalkoppling konstruerats av stål, anpassad för tävlingsfordonets motor med individuell justering av ingreppsvarvtalet för dess backar. Centrifugalkopplingens optimala diameter beräknades till 110 millimeter, vilket har resulterat i en totalvikt på den utvecklade kopplingen på cirka 730 g. En specifikationslista har tagits fram på lämpligt friktionsmaterial, dock krävs vidare tester för att säkerställa att önskad funktion uppnås på grund av vibrationer som kan uppstå, något som avgränsats bort i detta arbete. / HiGtech is a project group at the University of Gävle, in which students design and build energy efficient vehicles to compete with around the world. One of the vehicles is competing in the Shell Eco Marathon prototype class for gasoline-powered internal combustion engines and is driven by an on campus designed engine. The engine's power is transmitted to a chain transmission via a purchased and modified centrifugal clutch. The current centrifugal clutch weighs about 1.5 kg. An important factor for the outcome in the competition is the rolling resistance of the vehicle, which depends on its weight, the aim of this work has been to design a customized centrifugal clutch, whose weight is only half as large as the engine’s current clutch. Experiments on the engine, a survey of centrifugal clutches and a literature study has been performed which gave input for the design work. The diameter of the centrifugal clutch has been optimized for low weight, where the mass of the clutch hub, drum and shoes has been compared for the different diameters. The shoe mass has been calculated using a developed model and the hub and drum masses have been developed through a 3D model concept. Furthermore, a centrifugal clutch out of steel, adapted for the engine of the competing vehicle, has been developed, with individual adjustments of the engagement speed of its shoes. The optimal diameter of the centrifugal clutch was calculated to 110 millimeters, resulting in a total weight of the developed clutch of about 730 g. A list of specification has been developed for an appropriate choice of friction material, however, further testing is required to ensure that the desired functionality is achieved due to vibrations that may occur, this was however demarcated in this work.

Med Husqvarna som fallföretag undersöker det här arbetet de egenskaper som användare önskar se hos en batteridriven motorsåg och hur de uppnås. Detta görs i skenet av Husqvarnas beslut att sätta en centrifugalkoppling på den batteridrivna motorsågen 542i XP, som vid lansering under hösten 2023 blev den första i sitt slag. Att utreda bakgrunden till detta är således också del av arbetet. Arbetssättet är kvalitativt och bygger i hög grad på intervjuer med avdelningar inom Husqvarna, med tillägg från återförsäljare och yrkesanvändare för att kartlägga önskvärt beteende och upplevd problematik hos batterimotorsågar. Som purfärsk produkt finns referensmodellen Husqvarna 542i XP inte i butik, varför undersökningar kring upplevelser av beteendet hos batteridriven motorsåg med koppling koncentreras till Husqvarna. Deltagande tester av rapportskrivarna själva och ett fälttest där en yrkesanvändare testar en prototypsåg kompletterar detta. Den insamlade empiriska datan kategoriseras och grupperas, för att sedan kombineras med teori och tekniska data som tillsammans kokas ned till en konstruktionskriterielista. Listan lägger grund för funktions/medel-träd, som i sin tur är centralt för att stötta olika kreativa metoder mot koncept av övergripande av mer detaljerat slag. Koncepten utvärderas med strukturerade, jämförande och viktande metoder, för att reduceras till tre detaljkoncept som tas vidare för fördjupande studier. Medan konceptet FrivarvD med en idé om att nyttja tröghet i syfte att förstärka startbeteendet bedöms vara svårmotiverat komplex, visar koncepten Tomgång och Propeller större potential. Förstnämnda är ett valbart läge som ger kortare responstid och ständig kylning, medan Propeller är en centrifugalkoppling av compliant mechanism-typ. Båda ger upphov till välbekant start- och stoppbeteende. Koncepten förstärks med fördel av en annan typ av motor, där dagens sensorlösa kontroll ersätts av sensorer som eliminerar det tveksamma startbeteende som många användare och Husqvarna-anställda påpekar som problematiskt. Arbetet mynnar ut i en sammanfattning av de mest utmärkande problemen och viktigaste egenskaperna för en batterimotorsåg. Vidare visar arbetet att en centrifugalkoppling endast är en av flera möjliga lösningar, men en realistisk och välfungerande sådan. Rapportförfattarnas avslutande rekommendation är att en sensorförsedd motor är en god uppgradering, men också att realisering av konceptet Tomgång uppgraderar känslan av att använda en batteridriven motorsåg. / With Husqvarna as the case company, this master’s thesis explores the desired features of a battery-powered chainsaw and how they can be achieved. This research is done in light of Husqvarna’s implementation of a centrifugal clutch in the battery-powered model 542i XP – at launch during the autumn of 2023, the first of its kind. The research is carried out through qualitative methods, with data from interviews held at multiple of Husqvarna’s departments as a central part. This data is extended through interviews with resellers and professional users, to map the terrain of the appreciated and problematic characteristics of battery-powered chainsaws. As a brand-new product, the aforementioned Husqvarna 542i XP is not available in stores at the time of writing this report. Therefore, experience-focused research is emphasized in-house at Husqvarna, with employees familiar with the product from the development phase. Complementary data is collected through practical testing by the authors of this report, and tests of prototypes, in collaboration with professionals. The collected empirical data is categorized and grouped, combine with theory and technical data, and distilled to a design criteria list. A function/means tree is created on this foundation, and used alongside the methods to generate concepts to meet the requests and demands. Concepts are created on an overarching level, with more weight put on concepts focused on details, evaluated through weighted and comparative methods. Three final concepts are chosen for further refinement. The concept FrivarvD with its idea of delayed inertia to enhance the starting behaviour is considered unjustifiably complex. However, the concepts Tomgång and Propeller show great potential. The former is proposed as an added, optional mode, excelling through rapid response to the throttle and continuous cooling. The latter is a compliant mechanism version of a centrifugal clutch. The duo also addresses the desired and well-known start and stop behaviours. A transition from a sensor-less electric motor to a more exact and sensor-controlled version is suggested as an enhancement to the two concepts. This master’s thesis results in a summary of the distinguished problems and insights of preferable properties of using a battery-powered chainsaw. Further, the tried-and-true centrifugal clutch has an important role in preventing sudden stops, but is evidently only one of many solutions to address the identified criteria. However, it is reliable and highly realistic. Finally, the authors of this report recommend Husqvarna to upgrade the motor, and realize the concept Tomgång to achieve an improved user-experience for batterypowered chainsaws

Studien är utförd i form av ett examensarbete vid JTH (Jönköpings Tekniska Högskola) i samarbete med komponentgruppen på Husqvarna AB. Syftet med arbetet var att genom en produktutvecklingsprocess hitta en annan metod för att fästa centrifugalkopplingen på motorsågen 560 XP. På Husqvarnas motorsågar drivs sågkedjan och oljepumpen med hjälp av en centrifugalkoppling som i dagsläget fästs med ett skruvförband på vevaxeln. För att dagens koppling inte skall lossa under drift rekommenderas ett åtdragningsmoment på 20–25 Nm. Till nästkommande produktgeneration har detta höjts till 30–40 Nm vilket försämrar produktens servicebarhet samt att risken för att ha sönder kopplingen under demontering ökar. Därav uppkom behovet av ett nytt sätt att fästa kopplingen på. Lösningen borde klara de ökade lasterna samt förbättra servicebarhet genom underlättad montering och demontering. Genom en förstudie bestående av genomgång av befintlig produkt och intervjuer med insatt personal på Husqvarna samlades information in om problemet. Det användes för att sammanställa en konstruktionskriterielista med de krav som borde och önskades uppfyllas. De viktigaste kraven visade sig vara att kunna överföra vridmoment, förhindra att förbandet lossar under drift, minimera ett eventuellt åtdragningsmoment samt att erbjuda montering och demontering med verktyg som medföljer motorsågen vid inköp. Vidare utfördes en konceptstudie för att hitta en potentiell lösning till problemet. Genom en brainstormingprocess producerades drygt 20 koncept och idéer som sedan sållades och utvärderades med metoderna genomförbarhetsbedömning, Go/No-Go och Pughs matris. Koncepten bedömdes utefter kraven i konstruktionskriterielistan där ett koncept valdes att vidareutvecklas. Det valda konceptet var ett splinesförband som förhindrade axiell rörelse med hjälp av ett E-clip och fjäderbricka. Styrkorna hos detta koncept låg speciellt i att åtdragningsmomentet kunde elimineras, vilket underlättade montering och demontering. E-clipet hanterades enkelt med motorsågens medföljande verktyg. Beräkningar och grov konstruktion av konceptet utfördes därefter. Det visade sig vara svårt att dimensionera splinesförbandet inom de designbegränsningar studien ställt upp för att minimera påverkan av övriga komponenter i systemet. Skjuvspänningarna i vevaxel och splineständer blev höga på grund av säkerhetsfaktorer för utmattning och användningsområde. Höga nog att överstiga vevaxelmaterialets maximalt tillåtna skjuvspänning flera gånger om. För att minska dessa spänningar behöver troligtvis designbegränsningarna överskridas vilket leder till stora omkonstruktioner. Dock rekommenderas Husqvarna att fortsätta studera konceptet mer detaljerat och ingående innan det utesluts. Vid jämförelse med befintlig lösning har slutsatsen kunnat dras att skillnaden i skjuvspänningarna mellan båda lösningarna inte borde vara så stora som teorin säger. Detta öppnade upp flertalet förslag på fortsatt arbete. Bland annat att göra datorstödda simuleringar på en detaljkonstruktion av konceptet för att kunna göra mer noggranna hållfasthetsbedömningar. En riskbedömning borde även göras för att öka medvetenheten om de risker och konsekvenser konceptet för med sig. / This study is performed as a final thesis project at School of Engineering, Jönköping University in collaboration with the Global Components Group at Husqvarna AB. The purpose of the work was to find another way to attach the centrifugal clutch to the chainsaw model 560 XP. On Husqvarna's chainsaws, the cutting chain and oil pump are driven by a centrifugal clutch that currently is fastened with a screw joint on the crank shaft. To make sure the clutch won't come loose during operation, a tightening torque of 20–25 Nm is recommended. For the next product generation, the tightening torque has been raised to 30–40 Nm which will worsen the serviceability. Furthermore, the risk of breaking the clutch during disassembly will increase. This led to the need of a new way of fastening the clutch. The solution should withstand the increased loads as well as improve the serviceability through easier assembly and disassembly. Information about the problem were collected through a pilot study, including a review of the current product and interviews with involved personnel at Husqvarna. This was used to compile a list of necessary and desirable requirements for the solution. The most important requirements proved to be the ability to transfer torque, stop the joint from getting loose during operation, minimize the tightening torque as well as offering assembly and disassembly with the including tool upon purchase. Furthermore, a conceptual study was carried out to be able to find a solution to the problem. A brainstorming process generated just over 20 concepts and ideas that later were screened and evaluated with various well proven methods, such as Go/No-Go and Pugh's matrix. The concepts were evaluated against the requirements specified in the pilot study and one single concept was chosen for further development. The chosen concept was a spline joint that prevented axial movement with the help of an E-clip and a spring washer. The strength of this solution was mainly the elimination of the tightening torque, which led to easier assembly and disassembly. The E-clip was easily handled with the tool provided in the purchase. Calculations and a rough design were then performed. It turned out that it was hard to dimension the spline joint within the design limits stated to minimize the impact on the other components in the system. The shear stresses in the crankshaft and the spline teeth ended up high because of safety factors for fatigue life and type of application. High enough to exceed the maximum allowable shear stress of the shaft material several times. To lower these stresses, the design limitations will most likely have to be exceeded which leads to extensive design changes. However, Husqvarna are recommended to continue the study on this concept in more detail before it is to be precluded. Comparison with the current solution led to the conclusion that the differences in shear stresses between the both solutions shouldn't be as big as the theory claims. This opened a series of suggestions for future work. For instance, computer aided simulations of a detailed design of the concept would more accurately evaluate the strength of the concept. Furthermore, a risk assessment should be performed to address all the risks and consequences the concept brings with it.