Design of hydraulic cylinder for hand-held tool

Abstract

The goal of the thesis project was to design a concept prototype of a hand-held tool and to use components in the products the company has designed. The tool had to develop a 55kN force, maximum cycle time was four seconds and the hand part of the tool could weight no more than two kilograms. In the first phase goals were defined and the information was gathered on the projected loading cycle, lifetime, different solutions, components and techniques used in them. The solution concepts were compared using a morphological table and calculations files done with MatLab program. Based on the rankings and performance calculations, two basic design choices were compared: an electro-mechanical and an electro-hydraulic solution.

The electro-hydraulic solution was chosen for further development. For it a new aluminium double acting hydraulic cylinder was designed along with a plastic tool body. Two different basic models of the tool were made for appraisal and one of them was chosen for development. The 3D-model, static loading simulations, 2D-drawings and initial failure mode, effects and criticality analysis (FMECA) were done for this solution.

Performance goals for the tool were met but the tool was 300 g over the weight limit set of two kilograms. The conclusions of this project are useful for the company as they can make a prototype based on 2D drawings and use the information gathered on further development of the tool.

A thorough report of the work done is included in the report given to FELCO Motion SA. The public thesis focuses on the basic theory used in the project and on the design of the hydraulic cylinder.

Opinnäytetyössä kehitettiin uusi käsikäyttöinen työkalu FELCO Motion SA -yritykselle. Työkalun piti tuottaa 55 kN voima, työkierron aika oli korkeintaan 4 sekuntia ja paino korkeintaan 2 kg. Lisäksi työkalun suunnittelussa pitää käyttää mahdollisimman paljon osia työkaluista, joita yrityksellä on jo tuotannossa.

Työn suoritus aloitettiin määrittelemällä tavoitteet. Seuraavaksi kerättiin tietoa oletetusta työkierrosta, rasituksen jakautumisesta työkierron aikana ja työkalun eliniästä. Lisäksi eri ratkaisuvaihtoehtoja verrattiin toisiinsa morfologisella taulukolla ja MatLab-ohjelmalla tehdyillä laskuilla. Vertailun perusteella suunniteltiin elektromekaaninen ja elektrohydraulinen perusratkaisu, joista elektrohydraulinen ratkaisu valittiin jatkokehitykseen. Elektrohydrauliselle konseptille kehitettiin uusi alumiininen kaksitoiminen hydraulisylinteri, sylinteriin liitettävä mekaniikka ja työkalun muovinen kuori. Tästä työkalun versiosta tehtiin kaksi perusmallia. Paremmaksi arvioitu ratkaisu valittiin ja siitä tehtiin lopullinen 3D-malli Solidworks-ohjelmistolla. 3D-mallin perusteella tehtiin rakenteelle staattisen kuormituksen simulaatiot, 2D-piirustukset ja vika-, virhe-, vaikutus- ja kriittisyysanalyysi.

Työkalun viimeisen version suorityskyky vastaa odotuksia mutta paino on 300 g yli 2 kg tavoitteen. Opinnäytetyöstä saatu tieto on hyödyllistä yritykselle, koska se voi tehdä prototyypin sen perusteella ja käyttää huolella tehtyä analyysia työkalun jatkokehityksessä.

Opinnäytetyöstä kirjoitettiin tätä yksityiskohtaisempi raportti FELCO Motion SA:lle. Julkisessa opinnäytetyössä on arkaluonteisia asioita jätetty pois ja keskitytty enemmän projektissa käytettyihin teorioihin ja analyysimenetelmiin. Opinnäytetyö on tehty englanninkielisenä, jotta yritys voi tarkistaa ja ymmärtää sen.