Realiseren: Davit Door: Richard Blaauw, Daan Gerse, Edwin van der Knaap en Robert Spruit WP16 Delft 16-12-2016 De Haagse Hogeschool
Voorwoord Wij willen leren hoe het is om een vakwerk te ontwerpen en door te rekenen. Dit zal ons helpen bij onze studie, en zorgt ervoor dat wij de mechanica beter begrijpen. Daarom hebben wij een davit ontworpen. In dit rapport wordt elke stap van het ontwerpproces besproken, van alle eisen en wensen waaraan de davit moet voldoen, tot het uiteindelijke ontwerp met alle berekeningen erbij. 1
Inhoudsopgave Voorwoord 1 Inhoudsopgave 2 Samenvatting 3 Inleiding 4 Hoofdstuk 1: Oriëntatie 5 Probleemstelling 5 Programma van eisen 5 Hoofdstuk 2: Conceptontwerpen 7 Richard 7 Daan 8 Edwin 9 Robert 10 Rianne 11 Hoofdstuk 3: Eindontwerp 12 Werking van de davit 12 Berekeningen trek- en drukstaven 13 Berekening van knikbelasting 13 Productiekosten 15 Productievoorbereiding 16 Materialenlijst plaatmateriaal 16 Materialenlijst verbindingsmiddelen 16 Productiestappen 16 Realisatie productie process 17 Testresultaat 18 Bronvermelding 20 Bijlagen 21 2
Samenvatting Dit rapport behandelt het ontwerpproces van een davit, met als uiteindelijk doel het creëren van een stabiele en stevige davit. De hoofdstukken in dit rapport behandelen de volgende punten: Hoofdstuk 1 bevat de probleemstelling, en de oriëntatie op dit probleem. Hierin worden alle eisen en wensen besproken, waaraan de davit moet voldoen. Hoofdstuk 2 behandelt enkele conceptontwerpen, die volgen uit het programma van eisen en wensen uit het vorige hoofdstuk. Hoofdstuk 3 bevat het beste conceptontwerp, waarmee er verder is gegaan om het definitieve ontwerp van te maken. Hier hoort alles bij van de tekeningen, tot de krachten in elke staaf, tot alle afmetingen van de davit. 3
Inleiding Dit rapport bevat het gehele ontwerpproces van de davit. Dit strekt van de oriëntatie op het probleem, en het bepalen van de eisen en wensen, tot de conceptontwerpen die hieruit zijn ontstaan, tot het definitieve ontwerp met alle bijbehorende afmetingen en berekeningen. Aan het begin van het rapport wordt de oriëntatie behandeld. Hierin wordt uitgelegd vanuit welk probleem er is begonnen met het ontwerpen van de davit, en hoe er te werk is gegaan bij het opstellen van de eisen en wensen waaraan het product moet voldoen. In hoofdstuk 2 staan enkele concept ontwerpen die bedacht zijn op basis van de eisen die eerder waren opgesteld. Van deze concepten is er 1 gekozen waarmee er verder is gegaan. Vervolgens is dit concept uitgewerkt in hoofdstuk 3, waarin alle specifieke afmetingen staan, met alle berekende krachten die in de staven van de davit werken. 4
Hoofdstuk 1: Oriëntatie Probleemstelling Er moet een jetski met een gewicht van 100 kg aan boord van een jacht gehesen worden. Programma van eisen Nr. Eisen en Wensen Eenheid Bron Datum 1.1 De Davit moet een maximale hoogte hebben van 1000 mm +- 5%. (eis) 1.2 De Davit moet een maximale lengte hebben van 600 mm +-5% (eis) 1.3 De Davit heeft een levensduur van ten minste 5 jaar zonder onderhoud. (wens) mm Opdrachtgever 14-11- 16 mm Opdrachtgever 14-11- 16 jaren Opdrachtgever 14-11- 16 1.4 De Davit moet recyclebaar zijn (eis) n.v.t Opdrachtgever 14-11- 16 1.5 Het grondvlak moet 15 x 15 cm cm Opdrachtgever 14-11- 16 1.6 De ruimte onder de ligger en aan de kant van de staander waar de massa hangt, moet geheel vrij blijven. 1.7 Het materiaal moet corrosiebestendig zijn. (eis) 2.1 De Davit moet gemaakt worden uit stalen (2m 2 ) en aluminium (3m 2 )platen (eis) n.v.t. Opdrachtgever 14-11- 16 n.v.t. Opdrachtgever 14-11- 16 m 2 Producent 14-11- 16 2.2 Productiekosten zo laag mogelijk. Euro Producent 14-11- 16 3.1 De Davit wordt bevestigd met moertjes en boutjes M4 x 16 MM met cilinderkop met een zaaggleuf. 3.2 De Davit moet gefabriceerd worden door middel van accuboor, zetbank en een knipbank. n.v.t. Productiechef 14-11- 16 n.v.t. Productiechef 14-11- 16 4.1 Het grondvlak moet bevestigd worden cm Ontwerper 05-12- 16 5
aan vier M10 bouten die op 25 x 25 cm van elkaar staan. 4.2 De Davit moet zo licht mogelijk zijn (wens) kg Installateur en Ontwerper 14-11- 16 5.1 De Davit moet bestuurbaar zijn met maximaal 6 knoppen. (wens) 5.2 De haak moet binnen 10 seconden te bevestigen/los halen zijn. (wens) 5.3 De Davit moet een massa verticaal kunnen tillen van 100 kg op 450 mm van de binnenzijde van de staander. (eis) n.v.t. Gebruiker 14-11- 16 sec. Gebruiker 05-12- 16 kg, mm Gebruiker 05-12- 16 6
Hoofdstuk 2: Conceptontwerpen Richard In dit ontwerp zijn er 2 kruizen van staven aangebracht, om zo de knikbelasting op de voorkant van de staander te halveren. Op deze manier kan de staander 2 keer zoveel krachten weerstaan, voor hij gaat knikken, en aangezien er grote krachten op de voorkant staan, is dit essentieel. Daarnaast doen deze staven dienst als verbinding tussen de voor- en achterkant van de staander. Daarom is er geen horizontale verbindingsstaaf nodig. Omdat al de verbindingsstaven theoretisch nulstaven zijn, hoeven deze niet van staal te worden gemaakt. De hoekstaven daarentegen moeten wel krachten opvangen, en worden dus wel van staal gemaakt. 7
Daan Dit concept is gebaseerd op al bestaande hijskranen die makkelijk enkele tonnen aan gewicht kunnen overbrengen. Hiernaast is de afbeelding die dit ontwerp laat zien. De gekozen hoeken zorgen voor een enorm efficiënte overdracht van het gewicht. Dit zorgt ervoor dat de kracht wordt overgebracht aan de ondergrond zonder dat er een groot momentum is dat rekening mee moet worden gehouden. G ewicht = m assa * g ravitatie constante = 100 * 9.81 = 981 N F (upper; b oom) = F (gewicht) * c os(40) = 981 * c os(40) = 751 N F (boom; c ab) = F (upper; b oom) * s in(130) = 751 * s in(130) = 576 N M (cab) = a (massa) * F (gewicht) = 0.45 * 981 = 441 Nm 8
Edwin Voor het maken van mijn concept heb ik eerst de krachten berekend met een 2d model. Vervolgens heb ik de berekening van de knikbelasting uitgewerkt met dit model. Daarna heb ik een concept ontworpen met Inventor. Door de diagonale 0-staven wordt de effectieve lengte gehalveerd, waardoor de kans op knikken wordt verkleind. De krachten op de drukstaven zijn in totaal 4 kn. Uit de berekening van de knikbelasting volgt dat de constructie pas zal doorknikken bij een drukkracht van 23,6 kn. 9
Robert Voor dit model zijn buiten de buitenste trek- en drukstaven, drie andere staven gebruikt. Dit zijn nulstaven, deze vangen dus geen krachten op. Wel hebben deze de functie om de buitenste trek en drukstaven bij elkaar te houden en om knik op te vangen. In het VLS hieronder zijn dit de staven AD, CD en DE. Door de staven AD en DE wordt de effectieve lengte van 850 mm gehalveerd, hierdoor wordt kans op knikken verkleind. In het VLS is BF een drukstaaf en AE een trekstaaf. 10
Rianne 11
Hoofdstuk 3: Eindontwerp Werking van de davit Het doeleinde van onze davit is het kunnen dragen van een massa van 100 kilogram. Deze massa representeert een kleine jetski die op een jacht moet worden getild. Deze massa wordt aan boord gehesen door middel van een katrol aan de davit. Dit betekent dat wij rekening houden met een draaglast van ten minste 981 Newton representatief van de massa. Voor de tekeningen van alle onderdelen zie bijlage. 12
Berekeningen trek- en drukstaven De diagonalen van de staander zijn allen (theoretisch) nulstaven; ze ondersteunen alleen de constructie. Er staan dus alleen krachten op de voorste en achterste staven. De voorkant wordt belast op drukkracht, de achterkant wordt belast op trekkracht. De grootte van deze krachten kan berekend worden door middel van een set moment vergelijkingen. Als het moment wordt berekend om het punt C, komt de volgende vergelijking tot stand: (0.30)(981) + (0.15)(F By ) = (0.30)(F Ay ) Als het moment wordt berekend om het punt D, komt de volgende vergelijking tot stand: (0.15)(981) + (0.30)(F By ) = (0.45)(F Ay ) Als we met deze set vergelijkingen de F By elimineren, krijgen we: (0.30)(981) + (0.15)(F By ) = (0.30)(F Ay ) 2 (0.15)(981) + (0.30)(F By ) = (0.45)(F Ay ) 1 - (0.45)(981) = (0.15)(F Ay ) 441,45 = (0.15)(F Ay ) F Ay = 2943 = 2.9 kn Dit invullen in een vergelijking geeft (0.15)(981) + (0.30)(F By ) = (0.45)(2943) 1177.2 = (0.30)(F By ) F By = 3924 = 3.9 kn Hieruit volgt dat de kracht in de trekstaaf (achterkant) 2.9kN is. En de kracht in de drukstaaf (voorkant) is 3.9kN. Berekening van knikbelasting Bij de berekening van de knikbelasting op ons vakwerk zijn we tot de conclusie gekomen dat er zeker niet meer nodig is dan 1 hulpstuk, hiermee wordt een diagonale staaf in het midden van een vakwerk bedoeld. In deze berekening wordt er gekeken naar de breedte en dikte van een staaf, de effectieve lengte, en de elasticiteitsmodulus van het materiaal, en het traagheidsmoment. Hiermee wordt het kritische punt berekend, waarbij het materiaal bezwijkt onder de krachten die er spelen in het vakwerk. In ons vakwerk zullen wij gebruik maken van een gelijkbenig hoekprofiel. Hierdoor wordt het gemakkelijker om staven aan te bevestigen, en het verkleint de kans op doorbuigen. Bij de berekening is het hierdoor wel van belang dat er ook rekening moet worden gehouden met het zwaartepunt. 13
De berekening ziet er als volgt uit bij staven met een breedte van 20 mm, en 1 diagonaal hulpstuk. Dat wil zeggen dat de totale lengte door 2 gedeeld wordt, en dit bepaald de effectieve lengte (L): Afmetingen gelijkbenig hoekprofiel Berekening zwaartepunt breedte b 0,0200 m Zwaartepunt dikte t 0,0015 m 0,005555195 m lengte L 0,4250 m traagheidsmoment 2,23864 E-09 m 4 Materiaal eigenschap kritische kniklast E-modulus 1,930x10^11 Pa P kritisch = 2,361x10^04 N Uit de berekening van krachten in ons vakwerk volgde dat de drukspanning in het voorste gedeelte van de constructie (de kant die op druk belast wordt) 4kN bedraagt. Volgens deze berekening bezwijkt de constructie pas onder een knikbelasting als er een kracht van 21,361 kn op komt te staan. In theorie zou dit dus volledig toepasbaar moeten zijn. 14
Productiekosten Totaal aantal uur productievoorbereiding: 5 (sessie) x 3 (uur) x 9 (personen) 135 uur MATERIAAL Kosten per eenheid ( ) (Prijzen volgens ijzershop.nl ) (Prijzen volgens hornbach.nl ) AANTAL Aluminium plaat van 1000 x 500 x 1.5 mm 24.99 5 Staal plaat van 1000 x 500 x 1.5 mm 17.55 10 M5 Moeren 6.72 6 M5 Bouten van 12 mm 6.40 (per 100) 6 Materiaal Totale kosten van het materiaal: - Aluminium platen: 5 x 24.99 - Staal platen: 10 x 17.55 - M5 moeren: 6 x 6.72 - M5 bouten: 6 x 6.40 + 379.17 Totaal aantal uur productie: 4 (sessies) x 3 (uur) x 4 (personen) x 10 (davits) 480 uur Totaal aantal uur voor het creëren van 10 davits: 480 uur 135 uur + 615 uur 15
Totale kosten voor het produceren van 10 davits: Materiaalkosten 379.17 Loonkosten 615 (uur) x 20 ( ) + 12679.17 Productievoorbereiding Materialenlijst plaatmateriaal Voor de hoekprofielen wordt een stalen plaat van 1.5 mm dik gebruikt. Voor de verbindingsstaven wordt een aluminium plaat van 1.5 mm dik gebruikt. Materialenlijst verbindingsmiddelen Voor alle verbindingen worden bouten en moeren van M5 x 12 mm gebruikt. Productiestappen Hoekprofielen De stroken worden uit de plaat geknipt met de knipbank. (40mm breed) Er worden gaten geboord op de aangegeven plaatsen met de accuboor. (5mm boor) De stroken worden in het midden gebogen in een hoek van 90 graden met de zetbank. Verbindingsstukken De stroken worden uit de plaat geknipt met de knipbank. De hoeken van de staven worden afgeknipt d.m.v ponsen. Er worden gaten geboord op de aangegeven plekken met de accuboor. (5mm boor) Bevestigingsplaten De stroken worden uit de plaat geknipt met de knipbank. Er worden gaten geboord op de aangegeven plekken met de accuboor.met de accuboor. (5mm boor) De stroken worden gebogen op de aangegeven plekken met de zetbank. Voor het plaat verbruik zie bijlage. De indeling van de platen is voor één davit. 16
Realisatie productie process Voor het vervaardigen van de Davit kraan hebben wij de volgende apparaten gebruikt; knipbank, zetbank, kolomboor en accuboor. Hieronder staan de productiestappen op volgorde gezet, die wij ondernomen hebben: 1. Als eerste hebben wij al het plaatmateriaal verzameld. Een staalplaat van 500x1000x2 en een aluminiumplaat van 500x1000x2. 2. Hierna is de plaatverdeling gemarkeerd van de staander- en liggergroep. Dit werd gedaan door middel van een kraspen, liniaal en winkelhaak. Dit hebben we gedaan, zodat we er zeker van zouden zijn, dat er geen problemen zouden ontstaan qua materiaal verdeling. 3. Vervolgens hebben wij alle onderdelen uit het plaatmateriaal geknipt op de afgetekende lengtes. De hoekprofielen van de staander uit staal en de nul-staven uit aluminium. Verder zijn de bevestigingen boven en onder ook uit staal geknipt. - Daarna zijn de hoekprofielen onder een hoek van 90 graden gebogen en zijn de gaten op de juiste plaatsen geboord in de hoekprofielen en netjes ontbraamt. - Daarna zijn de gaten in de nul-staven en de tussenstaven geboord en ontbraamt. - De volgende stap was het assembleren van deze onderdelen. Zodat de boven tussenprofielen op correcte maat geknipt konden worden. - Zo zijn de tussenprofielen van boven op de correcte maat geknipt en geboord. Vervolgens ontbraamt en geassembleerd aan het tussenfabricaat. - Tot slot hebben we de voetstukken apart geassembleerd, door hier de gaten voor de grondplaat eerst in te boren en te ontbramen. Zo hebben we de grondsteun geassembleerd om vervolgens deze correct aan de rest van de staander te kunnen monteren. Dus het boren van de gaten op de juiste plaats van de bevestiging van de grondplaat. Wij hebben weinig afgeweken van ons ontwerp, zo hebben we alleen aan de bovenkant niet twee maar vier tussen profielen gebruikt. Dit gaf naar ons idee extra steun voor de ligger en extra bevestigingsmogelijkheden. 17
Testresultaat Hieronder het beoordelingsformulier voor onze Davit. De Davit heeft in totaal 130 kg gehouden en dus het gewenste resultaat bereikt. 18
Hier een link naar de video van het testen: https://youtu.be/y7fr17_ukd8 Zoals in de video te zien is, wordt de Davit op schuine belasting belast. Dit komt doordat de karabijnhaak niet recht in het midden zit. Als dit wel het geval was, had hij misschien meer belasting aangekund. 19
Bronvermelding - Industriële Productie, H.J.J. Kals e.a, 5e herziene druk Academic Service, 2012, ISBN 9789039526736 (Verplicht) - Ontwerpen van technische innovaties, I. Oskam e.a., Noordhoff Uitgevers, 2012, ISBN 978-90-01-79698-3 (Verplicht) - Rapport over rapporteren, W. Hoogland e.a., Noordhoff Uitgevers, 2010, ISBN: 69789001768997 (Verplicht) 20
Bijlagen Hoekprofiel 1 21
Hoekprofiel 2 22
Hoekprofiel 3 (Bovenkant) 23
Nulstaaf (Verbindingsstaven) 24
Grondstaaf 25
Middenstaaf (Midden van de staander) 26
Tussenstaaf (Bovenkant van de davit) 27
U-balk 28
Verankering 29