Konstruktion för gymnasiet Àr skriven utifrÄn Àmnesplanen pÄ gymnasiet enligt Gy25 för Konstruktion och som gÀller frÄn och med 1 juli 2025. Konstruktion nivÄ 1 ingÄr i inriktningen Design och produktutveckling. MÄlet har varit att Konstruktion för gymnasiet Àven ska kunna anvÀndas i programfördjupningar i konstruktion pÄ inriktningarna SamhÀllsbyggande och miljö, Produktionsteknik och Teknikvetenskap. Delar av Konstruktion för gymnasiet kan man Àven tÀnka sig Àr anvÀndbara i Teknik nivÄ 2 och nivÄ 3.
MÄlet har varit att stoffet i Konstruktion för gymnasiet ska vara tillrÀckligt omfattande, bÄde pÄ bredden och pÄ djupet, för att kunna anvÀndas i bÄde Konstruktion nivÄ 1 och nivÄ 2. I alla kapitel breddas och fördjupas kunskaperna frÄn kursen Teknik nivÄ 1.
Traditionellt har materiallÀra, mekanik och hÄllfasthetslÀra varit cent rala omrÄden för studier i konstruktion. Dessa omrÄden Àr ocksÄ omf Ängsrika i Konstruktion för gymnasiet. HÀr tillkommer dock Àven hÄllbarhetsaspekter bl.a. vid materialval. CAD, FEM, simu leringar och digitala verktyg Àr vÀsentliga för utformning och dimensionering inom modern konstruktion. Andra omrÄden som tas upp Àr konstruktionsprocessen, projektarbete, ritteknik och produktionsteknik. Konstruktion för gymnasiet anger inte vilka delar som ska avhandlas pÄ nivÄ 1 respektive nivÄ 2 i Konstruktion.
SĂ€llan innebĂ€r konstruktionsprocessen en fri kreativ process mot att ta fram en helt ny produkt. IstĂ€llet utgĂ„r man frĂ„n kundens funktionskrav, frĂ„n vilken man successivt specificerar produkten. UtifrĂ„n funktionskraven tar man fram flera lösningsförslag som analyseras och vĂ€rderas tills man funnit den bĂ€sta lösningen. Detta upprepas flera gĂ„nger pĂ„ en alltmer detaljerad nivĂ„. Detta arbetssĂ€tt brukar kallas för âtop-downâ.
Tidigare arbetade man istĂ€llet enligt ett arbetssĂ€tt som brukar kallas âbottom-upâ. Man utgick frĂ„n tidigare detaljlösningar och arbetade sig upp mot en fĂ€rdig produkt. Man provade olika lösningar genom att bygga fysiska modeller, prototyper, och testade dem i laboratoriemiljö. ArbetssĂ€ttet ledde ofta till flera omkonstruktioner dĂ„ prototypen inte gav det utfall man förvĂ€ntade sig och dĂ„ behövdes nya prototyper. Tillverkningsanpassningen i slutskedet av processen kunde sedan leda till ytterligare omkonstruktioner.
Bottom-up-arbetssÀttet medförde Àven att man inte hade klart för sig vilka behov kunden hade, eller ens vilka kundgrupper som var aktuella.
Konstruktionsprocessens olika steg
Konstruktionsprocessen Àr en del av produktutvecklingsprocessen och upprepas om och om igen för att en produkt pÄ olika sÀtt hela tiden ska förbÀttras. Man brukar dela in konstruktionsprocessen i fem steg:
Kravspecifikationen, eller produktspecifikationen som den ibland kallas, syftar till att faststÀlla konkreta krav för produkten. Den ska svara pÄ vad en produkt ska klara, men inte hur den ska klara det. Kravspecifikationen utgÄr frÄn kundens krav och önskemÄl. Kunden kan vara en bestÀllare som sjÀlv sammanstÀller kraven. En kravspecifikation innehÄller ofta, förutom sÄvÀl funktionella och tekniska krav, Àven krav gÀllande ekonomi, miljö, ergonomi, estetik, sÀkerhet med mera.
En kravspecifikation mÄste vara komplett, dvs. alla intressenter, livscykelfaser och aspekter mÄste beaktas. Kravkriterierna ska vara lösningsoberoende och entydiga. Kriterierna ska vara mÀtbara för att kunna kontrollera om man faktiskt uppfyllt alla kriterier. Varje kriterium ska vara unikt och inga upprepningar fÄr förekomma. Under hela konstruktionsprocessen kontrolleras alla förslag gentemot kravspecifikationen för att se till att alla kriterier uppfylls. Under konstruktionsarbetet kan fler kriterier tillkomma som resultat av de konstruktionsbeslut som tas.
Kriterierna kan delas in i funktionella kriterier och icke-funktionella kriterier. De funktionella kriterierna beskriver produktens förvĂ€ntade funktion â vad den ska kunna göra â t.ex. âbĂ€ra personâ, âĂ€ndra riktningâ, âavge ljusâ och sĂ„ vidare. Exempel pĂ„ icke-funktionella kriterier kan vara âmaxvikt â, âmaximal kostnadâ, âmĂ„ste kunna tillverkas med befintlig produktionsutrustningâ, âmĂ„ste uppfylla förordningâ och sĂ„ vidare. DĂ€rför kallas icke-funktionella kriterier ibland för begrĂ€nsande kriterier. UtgĂ„ngspunkten Ă€r de funktionella kriterierna. UtifrĂ„n dessa tas olika tĂ€nkbara lösningsförslag fram. De ickefunktionella kraven anvĂ€nds sedan för att sĂ„lla fram de lösningar som kan tillĂ„tas.
Kriterierna i kravspecifikationen, bÄde de funktionella och de ickefunktionella kriterierna, kan delas in i krav och önskemÄl. Krav Àr kriterier som alltid mÄste vara helt uppfyllda, medan önskemÄl inte mÄste vara det. Olika konstruktionslösningar kan uppfylla önskemÄlen i olika grad och faktorer som tillverknings- och materialkostnader kan fÀlla avgörande vilken lösning man vÀljer.
Vilka krav bör man stÀlla pÄ en cykel? Den hÀr har t.ex. en elhjÀlpmotor och Àr hopfÀllbar.
Personer frÄn olika kompetensomrÄden sÄsom konstruktörer, designer, marknadsförare, servicetekniker med flera involveras för att utifrÄn sin kompetens bidra i den interna informationssökningen. Serviceteknikern vet t.ex. vilka problem som brukar finnas med produkten och vad som oftast gÄr sönder. Marknadsföraren vet vad kunderna gillar och ogillar med företagets produkter.
Den externa informationssökningen kan t.ex. vara patentsökningar, sök ninga r i konstruktionskataloger, analys av konkurrenters produkter, eller intervjuer med experter. Det senare kan vara intervjuer av forskare, leverantörer och âlead usersâ. Lead users kan antingen vara anvĂ€ndare av produkten som Ă€r pionjĂ€rer pĂ„ sĂ„ vis att de har behov mĂ„nader eller Ă„r tidigare Ă€n konkurrenter, eller anvĂ€ndare som kan dra betydande fördelar av nya lösningar och dĂ€rför kan vara innovativa.
Ju mer kunskap man fÄr om en produkt i utvecklingen, desto mindre blir handlingsutrymmet och förÀndringskostnaden större. Detta brukar kallas konstruktionsparadoxen.
UtvÀrdering och val av koncept
Konceptgenereringens mÄl Àr att skapa ett brett spektrum av lösningar och koncept. Dessa analyseras och utvÀrderas sedan utifrÄn krav och önskemÄl i kravspecifikationen. Aspekter som genomförbarhet, marknadspotential, kostnader och anvÀndarvÀnlighet spelar ocksÄ stor roll vilken lösning man vÀljer. De mest lovande koncepten vÀljs ut att arbetas vidare med. Valet av koncept kan ske pÄ olika sÀtt, t.ex.:
⹠Konstruktionschefen, projektledaren, kunden eller nÄgon annan betydelsefull person vÀljer ut sin favorit
⹠Medlemmarna i gruppen röstar pÄ sin favorit
⹠Fördelar och nackdelar listas och gruppen vÀljer utifrÄn detta
⹠Successiv eliminering utifrÄn kravkriterierna tills bara en lösning ÄterstÄr
⹠Prototyper byggs och testas varpÄ testresultaten avgör valet
⹠Intuition, kÀnsla, eller erfarenhet
Detaljkonstruktion och produktlayout
Detaljkonstruktion innebÀr att utforma de olika delarna i produkten. Detta görs efter att det övergripande konceptet har faststÀllts tidigare i processen. Under detaljkonstruktionen bestÀms exakta dimensioner, toleranser, material och tillverkningsmetoder för varje enskild del av produkten. Detta görs hela tiden fortfarande med kravspecifikationen i Ätanke. Detaljkonstruktionen syftar till att skapa specifika ritningar och andra tekniska dokument som anvÀnds för att tillverka och montera produkten.
Produktlayoutprocessen fokuserar pÄ hur olika komponenter eller delar av en produkt ska ordnas för att designen ska bli effektiv och anvÀndarvÀnlig. Produktlayouten tar hÀnsyn till faktorer som t.ex. produktens syfte (alltsÄ vad den ska anvÀndas till), anvÀndningsomrÄden, monteringsprocesser, service och underhÄll, miljömÀssiga samt estetiska övervÀganden.
LuftmotstÄndet hos en bil testas med hjÀlp av en prototyp i lera i en vindtunnel.
Tillverkningsanpassning
Innan produkten kan tillverkas mÄste man med hÀnsyn till tillverkningsmetoder, material, verktyg och produktionsprocesser utforma produkten pÄ ett sÀtt som underlÀttar tillverkningen. Tillverkningsanpassningen Àr egentligen inte det sista steget i konstruktionsprocessen, utan hÀnsyn till tillverkningen mÄste göras tidigt i processen. Det kan t.ex. innebÀra att man försöker anvÀnda standardkomponenter för att dra nytta av befintliga tillverkningsprocesser och verktyg, att man frÄn början utformar produkten med en viss tillverkningsmetod i Ätanke, eller att materialvalet anpassas till de tillverkningsmetoder som anvÀnds.
Genom att integrera tillverkningsanpassning i konstruktionsprocessen kan man nÄ fördelar som kortare ledtider, minskade kostnader, förbÀttrad produktkvalitet och ökad tillförlitlighet. Det underlÀttar Àven efterföljande produktions- och monteringssteg samt reparationer och underhÄll av produkter senare hos kunder.
HĂ LLBAR KONSTRUKTION
Miljödriven produktutveckling
Miljödriven produktutveckling, kallat ekodesign, syftar till att minska produkters miljöpÄverkan under hela deras livscykel. Förr fokuserade man pÄ tillverkningsfasen och mindre pÄ anvÀndningen och resthanteringen. En produkts miljöpÄverkan styrs till största delen av vilka funktioner den har och vilken teknik som anvÀnds för att uppfylla funktionskraven.
DÀrför mÄste man analysera vilka funktioner som Àr nödvÀndiga och Àven finna vilka funktioner som pÄverkar miljön mest sÄ att dessa prioriteras i konstruktionsarbetet. Utmaningen Àr att uppfylla funktionskraven samtidigt som produkten fÄr en lÄg miljöpÄverkan. DÀrför mÄste man ibland frÄngÄ etablerade konstruktionslösningar och finna nya sÀtt att uppnÄ funktionskraven. En konstruktionslösning kan t.ex. kanske uppfylla flera funktionskrav och dÀrmed ge lÀgre miljöpÄverkan.
Avfallstrappan
Minimering
à teranvÀndning
MaterialÄtervinning
Energiutvinning
Deponering
Avfallstrappan beskriver hur avfall ska tas omhand.
Trots riktlinjer om minskat avfall ökar mÀngden avfall per person varje Är. Avfallstrappan, ibland kallad avfallshierarkin, Àr ett EU-direktiv som har antagits i den svenska miljöbalken. Den beskriver hur avfall ska tas omhand. Avfallstrappan har fem nivÄer frÄn sÀmst till bÀst:
âą Deponering
Att helt enkelt slÀnga avfallet pÄ en deponi, dvs. en soptipp. Det Àr förbjudet att deponera brÀnnbart och organiskt avfall. Mindre Àn 1 % av hushÄllsavfallet deponeras i Sverige.
âą Energiutvinning
Avfallet förbrÀnns i t.ex. ett kraftvÀrmeverk som genererar bÄde vÀrme och elektricitet. För att förbrÀnningen ska vara optimal fÄr bara det som verkligen Àr brÀnnbart förbrÀnnas. DÀrför mÄste olika materialtyper enkelt kunna separeras frÄn varandra, sÄ att t.ex. olika metaller inte följer med in i förbrÀnningen. FörbrÀnningen mÄste förstÄs ske pÄ ett sÀtt sÄ att utslÀppen minimeras.
⹠MaterialÄtervinning
Materialet omvandlas (metall smÀlts t.ex. ned) och anvÀnds som rÄvara till nya produkter. För att det ska kunna göras pÄ ett effektivt sÀtt mÄste olika materialtyper enkelt kunna separeras frÄn varandra.
⹠à teranvÀndning
Produkter eller delar av produkter anvÀnds igen. T.ex. kan bildelar anvÀndas som reservdelar vid reparationer och tegelstenar kan anvÀndas vid nybyggnation av ett hus.
âą Minimering
I första hand ska man se till att sÄ lite avfall som möjligt skapas. Det kan t.ex. göras genom att anvÀnda mindre material i produkten, möjliggöra reparation enkelt genom att göra det enkelt att ta isÀr den och att se till att produkten hÄller lÀnge.
Vagga till vagga
LĂ€nge talade man om âfrĂ„n vaggan till gravenâ i produktlivscykelsammanhang, men detta har ersatts av uttrycket âfrĂ„n vagga till vaggaâ (engelska: cradle to cradle). Det gĂ„r ut pĂ„ att produktutvecklingen mĂ„ste likna ekologiska system dĂ€r energi och material anvĂ€nds effektivt och cykliskt, och inte genererar nĂ„got avfall. Material ska antingen kunna brytas ned och Ă„terföras till naturen, eller sĂ„ ska de kunna Ă„tervinnas eller Ă„teranvĂ€ndas till samma â eller bĂ€ttre â kvalitet Ă€n tidigare.
Medaljerna som delades ut vid de olympiska spelen i Tokyo 2021 var tillverkade uteslutande av Ätervunnen metall frÄn elektronikavfall. Deponering
HĂ„llbarhetsbegreppets
tre dimensioner
Begreppet âhĂ„llbar utvecklingâ myntades 1981 av den amerikanske miljövetaren Lester Brown (1934-) i boken âBuilding a Sustainable Societyâ. Begreppet fick ett större genomslag i och med FN-rapporten âReport of the World Commission on Environment and Development: Our Common Futureâ (svenska: âVĂ„r gemensamma framtidâ). Rapporten var ett förarbete inför FN:s miljökonferens i Rio de Janeiro 1992. Arbetet leddes av Norges dĂ„varande statsminister Gro Harlem Brundtland och dĂ€rför kallas FNrapporten ofta för Brundtlandrapporten. HĂ„llbar utveckling definieras i Brundtlandrapporten som:
En hÄllbar utveckling Àr en utveckling som tillfredsstÀller dagens behov utan att Àventyra kommande generationers möjligheter att tillfredsstÀlla sina behov.
HÄllbar utveckling vilar pÄ tre ben; ekologisk, ekonomisk och social hÄllbarhet :
⹠E kologisk hÄllbarhet
Naturresurser ska vÄrdas lÄngsiktigt sÄ att Àven kommande generationer kan fÄ de naturresurser som behövs. Man mÄste ha kunskap om vilken belastning som ekosystem tÄl och hur skador kan undvikas.
ResursanvÀndningen av t.ex. energi, kemikalier och rÄvaror ska ha sÄ litet avtryck som möjligt. UtslÀppen av vÀxthusgaser frÄn energiförbrukning, transporter och resor mÄste minimeras.
⹠E konomisk hÄllbarhet
Ekonomisk tillvÀxt och utveckling frÀmjas pÄ ett sÀtt sÄ att det inte stÄr i vÀgen för ekologisk och social hÄllbarhet. En stabil och rÀttvis fördelning av resurser och ekonomiska möjligheter mÄste skapas. Det ekonomiska systemet mÄste baseras pÄ förnybara resurser som gÄr att Ätervinna och Äterbruka i kombination med förnybar energi.
⹠Social hÄllbarhet
Fokuserar pÄ att sÀkerstÀlla att alla mÀnniskor har tillgÄng till grundlÀggande behov som trygghet, jÀmlikhet, hÀlsa och utbildning. Förutom det individuella perspektivet handlar det om hur dessa livsbetingelser fördelas mellan mÀnniskor.
Livscykelanalys
LCA (engelska: Life Cycle Assessment, svenska: livscykelbedömning), vanligen benĂ€mnt livscykelanalys pĂ„ svenska, Ă€r en serie metoder för att analysera och vĂ€rdera en produkts miljöpĂ„verkan under hela dess livscykel. Livscykeln bestĂ„r av fyra faser: materialframstĂ€llning, tillverkning, anvĂ€ndning och resthantering. Man analyserar energianvĂ€ndningen, resursanvĂ€ndningen, transporter och utslĂ€pp inom och mellan var och en av de fyra faserna. Det Ă€r svĂ„rt att avgöra om en produkt Ă€r âmiljövĂ€nligareâ Ă€n en annan. Det beror pĂ„ hur man vĂ€rderar olika miljöpĂ„verkan. Alla relevanta miljöaspekter kan inte heller tas upp i en livscykelanalys, utan det Ă€r nödvĂ€ndigt att göra avgrĂ€nsningar.
MaterialframstÀllning
Tillverkning
AnvÀndning
Resthantering
En livscykelanalys bestÄr av fyra steg:
âą MĂ„l och omfattning
HÀr anges vilken produkt som avses och systemgrÀnser definieras, dvs. man anger vad som utesluts ur analysen. Ofta tas endast sjÀlva produktens miljöpÄverkan under hela dess livscykel med. MiljöpÄverkan frÄn de maskiner som anvÀnts vid rÄvaruutvinningen och tillverkningen tas t.ex. med, men inte miljöpÄverkan frÄn de maskiner som anvÀnts för att tillverka maskinerna som anvÀnts vid rÄvaruutvinningen och tillverkningen. Inte heller personalens miljöpÄverkan tas med. NÀr man jÀmför miljöpÄverkan frÄn olika produkter mÄste det vara produkter med samma funktion och dÀrför tar man fram en tydligt definierad och mÀtbar funktionell enhet som bas för jÀmförelsen. Den funktionella enheten ska vara sÄdan att den beskriver funktionen för produkten, t.ex. dm 3 volym för dryckesförpackningar eller m 2 boyta om man bygger bostÀder.
âą Livscykelinventeringsanalys
Alla in- och utflöden av material och energi analyseras, liksom utslÀpp och avfall frÄn produktens tillverkning, transporter, anvÀndning och avveckling. Data sÄsom energi- och materialmÀngder samlas in och olika former av miljöpÄverkan berÀknas relaterat till produktens funktionella enhet. Data analyseras bakÄt till rÄmaterial och energirÄvaror.
MĂ L OCH OMFATTNING
LIVSCYKELINVENTERINGSANALYS
⹠MiljöpÄverkansbedömning
Resultatet frÄn livscykelinventeringsanalysen sammanstÀlls och produktens totala miljöpÄverkan bedöms. TvÄ olika produkter kan pÄverka miljön pÄ helt olika sÀtt och det kan vara svÄrt att veta hur detta ska vÀgas mot varandra. Vetenskaplig kunskap Àr en viktig faktor, men ekonomi och politik kan vara det som avgör hur man vÀger olika miljöpÄverkan mot varandra.
âą Livscykeltolkning
NÀr livscykelanalysen Àr klar gör man en kÀnslighetsanalys, dvs. man undersöker hur livscykelanalysen pÄverkas av att man gör smÄ förÀndringar i de grundlÀggande antagandena. Man gör ocksÄ en osÀkerhetsanalys dÄ man tar reda pÄ hur sÀker datan som har anvÀnts Àr. Under hela livscykelanalysen mÄste man hela tiden göra nya tolkningar och uppdateringar av uppgifter och resultat.
Resultatet frÄn en livscykelanalys kan t.ex. anvÀndas i marknad sföringen, för miljömÀrkning, eller som beslutsunderlag under konstruktionsprocessen. Man kan t.ex. kanske finna konstruktionslösningar som ger samma funktion, men med lÀgre miljöpÄverkan. Ibland strÀvar man efter att minimera miljöpÄverkan frÄn en produkt under hela dess livscykel. Det kallas för ekodesign.
En livscykelanalys fokuserar pÄ den ekologiska dimensionen av hÄllbar utveckling, men de andra dimensionerna kan vara intressanta t.ex. vid beslut under konstruktionsprocessen, t.ex. att vÀrna om arbetsmiljön för de som tillverkar produkten. Det kan ocksÄ vara att stÀlla krav pÄ leverantörer vad gÀller bl.a. mÀnskliga rÀttigheter. En produkt som kan Ätervinnas eller Äterbrukas mÄnga gÄnger minskar resursanvÀndningen som inte bara Àr bÀttre ur ekologisk synvinkel utan Àven ekonomisk.
MILJĂPĂ VERKANSBEDĂMNING
LIVSCYKELTOLKNING
Tekniketik
Ny teknik utvecklas inte i syfte att det ska leda till skogsskövling, utslĂ€pp och buller. ĂndĂ„ har teknikutvecklingen lett till detta och mycket mer. Oftast vet man om dessa skadeverkningar i förvĂ€g.
Tekniketik i ett hÄllbarhetsperspektiv handlar om hur innovationer och anvÀndningen av teknik pÄverkar samhÀllet och miljön. Det Àr avgörande att teknikutvecklingen inte bara fokuserar pÄ att möta dagens behov, utan ocksÄ att sÀkerstÀlla att dessa behov tillgodoses pÄ ett sÀtt som inte Àventyrar framtida generationer att göra detsamma. Tekniska framsteg mÄste balanseras med skyddet av naturresurser, avfallsminimering och bekÀmpning av klimatförÀndringarna.
Tekniken mÄste gagna mÀnniskor, miljö och samhÀlle genom effektivare resursutnyttjande utan skadeverkningar. För detta krÀvs ett livscykelperspektiv, dvs. att man förutom att vÀga in hur en produkt t.ex. pÄverkar miljön nÀr den anvÀnds, ocksÄ Àven nÀr den tillverkas, distribueras och avyttras. Man mÄste veta vilka material som anvÀnds, hur de utvinns och bearbetas, och hur de kan Ätervinnas eller allra helst ÄteranvÀndas. Vid en livscykelanalys försöker man bedöma vilken miljöpÄverkan en produkt har under hela dess livscykel.
En social aspekt av tekniketik kan t.ex. vara hur man sÀkerstÀller att teknik inte gynnar vissa grupper i samhÀllet pÄ bekostnad av andra. Det kan ocksÄ handla om hur och var avfallet efter uttjÀnta produkter tas om hand. Avfallet kanske skeppas till lÀnder med svagare lagstiftning kring avfallshantering. Sociala aspekter kan vara svÄra att förutsÀga. En ekonomisk aspekt kan vara att bli medveten om de ekonomiska konsekvenserna av teknikens anvÀndning och att den inte leder till oacceptabla kostnader för samhÀllet eller för framtida generationer.
Elektronikavfall frÄn vÀst som hamnar pÄ soptippar i afrikanska lÀnder Àr ett omfattande problem.
Ibland motverkas ny teknik som Àr bÀttre ur hÄllbarhetssynpunkt Àn befintlig. Det kan ocksÄ finnas ett kommersiellt teknikmotstÄnd hos företag. Man försöker motverka ny teknik för att skydda sina produkter frÄn konkurrens. Företaget kan dÄ köpa upp konkurrenter för att fÄ kontroll över den nya tekniken. Man kan ocksÄ driva pÄ för politiska regleringar som hindrar den nya tekniken pÄ marknaden. Det kan Àven finnas ett köpmotstÄnd bland konsumenter. Det kan bero pÄ att produkten inte fungerar tillrÀckligt bra, eller att konsumenter inte anser att det fyller ett behov. Det senare kan bero pÄ att företaget varit för tidigt ute med en innovation. Det Àr bra att vara först, men ÀndÄ inte vara för tidigt ute. Det finns flera exempel genom historien pÄ innovationer som slog igenom lÄngt efter att de först lanserades, just för att de dök upp för tidigt första gÄngen.
Diskutera
âą Sök efter FN:s âAllmĂ€n förklaring om de mĂ€nskliga rĂ€ttigheternaâ. Vilka av rĂ€ttigheterna har med teknik att göra?
âą Företag har ofta flera underleverantörer som i sin tur har sina egna underleverantörer. Ăr det rimligt för ett företag att veta hur dessa underleverantörers underleverantörer utvinner och bearbetar material?
⹠Företag som exporterar avfall till andra lÀnder begÄr sÀllan nÄgot lagbrott. Diskutera de moraliska aspekterna kring detta. Borde överstatlighet rÄda i större utstrÀckning pÄ miljöomrÄdet med bindande internationella lagar? Diskutera fördelar och nackdelar.
⹠Du arbetar som konstruktör pÄ ett företag och har varit med om att utveckla en produkt som du vet kommer att revolutionera marknaden. Den Àr effektivare, förbrukar mindre energi, Àr enkel att demontera och reparera samt kan sÀljas till ett mycket lÀgre pris Àn de produkter som redan finns pÄ marknaden. Du fÄr dock veta att företaget har för avsikt att vÀnta med att lansera produkten och kanske rentav aldrig lansera den. Vad Àr företagets skÀl till detta? Vad ska du göra?
âą Vissa yrkesgrupper som t.ex. lĂ€kare, psykologer och lĂ€rare har yrkeslegitimation som kan Ă„terkallas om man visar sig vara âgrovt oskickligâ i sin yrkesutövning. Borde Ă€ven ingenjörer ha en yrkeslegitimation?
MATERIALLĂRA
Inledning
Olika produkter eller delar av produkter kan krÀva vitt skilda egenskaper. Antalet material Àr nÀrmast oÀndliga, alla med vÀldigt olika egenskaper. NÀr det kommer till materialegenskaper finns dock inget universalmaterial, utan man vÀrderar pÄ olika sÀtt egenskaper mot varandra och kompromissar hela tiden. Materialvalet Àr en kompromiss inte bara mellan olika materialegenskaper, utan Àven materialets pris, tillgÀnglighet och hÄllbarhetskrav.
Man kan dela in alla material i grupperna:
⹠JÀrn och stÄl
âą A ndra metaller
⹠TrÀ
âą Plaster och gummi
âą Sten och mineral
Sölvesborgsbron Àr med sina 760 meter en av Europas lÀngsta gÄng- och cykelbroar. PÄlarna Àr tillverkade av armerad betong, bÄgar och rÀcken av rostfritt stÄl, underliggande bÀrande balkar av varmförzinkat stÄl och farbanan av trÀ.
Viktiga materialegenskaper Àr:
⹠Mekaniska (draghÄllfasthet, hÄrdhet, slagseghet och utmattningshÄllfasthet)
⹠Fysikaliska (densitet, smÀltpunkt, vÀrmeutvidgning, vÀrmeledningsförmÄga, elektrisk ledningsförmÄga och magnetism)
âą Kemiska (t.ex. korrosionsegenskaper)
⹠Tillverkningstekniska (gjutbarhet, svetsbarhet, skÀrbarhet, hÀrdbarhet, formbarhet med mera)
SkovtÄrnet (Skogstornet) SjÀlland, Danmark. 45 m högt torn byggt av stÄl och trÀ. Konstruktionen Àr en s.k. hyperboloid form; lÄnga, vertikala stÄlrör som inte böjts, utan roterats 120° till en skruvad timglasform.
JÀrn och stÄl
AllmÀnt om jÀrn och stÄl
StĂ„l bestĂ„r av jĂ€rn, kol och ofta ytterligare Ă€mnen. JĂ€rn började anvĂ€ndas för ungefĂ€r 4 500 Ă„r sedan och har blivit den överlĂ€gset mest anvĂ€nda metallen. JĂ€rn utvinns ur jĂ€rnmalm. Rent jĂ€rn Ă€r vĂ€ldigt mjukt och rostar lĂ€tt. För att det ska bli hĂ„rdare och starkare blandar man i kol. Generellt kan man sĂ€ga att ju mer kol stĂ„let innehĂ„ller, desto hĂ„rdare Ă€r det. Ăr kolhalten högst 2 % kallas materialet för kolstĂ„l. Om det innehĂ„ller 2â5 % kallas det för gjutjĂ€rn.
StÄl delas in i tvÄ huvudgrupper:
⹠Olegerade stÄl som bestÄr av bara jÀrn och kol
⹠L egerade stÄl som förutom jÀrn och kol innehÄller ytterligare ett eller flera legeringsÀmnen för att fÄ de egenskaper man önskar
Beroende pĂ„ legeringsĂ€mnen varierar stĂ„ls densitet mellan 7,8â9,0 kg/dm 3 JĂ€rn har densiteten 7,86 kg/dm 3. UngefĂ€r 90 % av allt jĂ€rn som framstĂ€lls i vĂ€rlden anvĂ€nds till:
⹠Maskiner för rÄvaruutvinning inom oljeindustrin, gruvdrift och skogsbruk
âą Byggnader, maskiner och utrustning inom industrin
âą Vapenindustrin
Endast 10 % av allt jÀrn anvÀnds till konsumentprodukter som bilar, vitvaror och hemelektronik. UngefÀr 25 % av allt jÀrn som anvÀnds kommer frÄn Ätervunnet skrot. Skrot Àr restprodukter med stort andrahandsvÀrde och som kan Ätervinnas och anvÀndas i nyproduktion. Skrotet kan t.ex. komma frÄn gamla bilar eller vitvaror. En del stÄldelar ÄteranvÀnds ocksÄ, som t.ex. fungerande bildelar som sÀljs pÄ begagnatmarknaden i konkurrens med nytillverkade reservdelar.
Svetsning av stÄlskelettet till en byggnad.
StÄlframstÀllning
JÀrn bryts som jÀrnmalm i form av jÀrnoxiderna hematit, Fe2O3, och magnetit, Fe3O4. Malmen krossas och mals till ett fint pulver som kallas slig. Sligen blandas med kol under uppvÀrmning. JÀrnet och kolet pressas samman sÄ hÄrt att metallbindningar bildas. Detta kallas för sintring.
2Fe2O3 + 3C 4Fe + 3CO2
Fe3O4 + 4C 3Fe + 4CO
Sintern smÀlts sedan samman med kol och kalksten till tackjÀrn. Kalkstenen tillsÀtts för att dra till sig föroreningar som finns kvar i sintern. Slaggen som bildas kan sedan enkelt tas bort. Detta steg i processen görs i en masugn. Sintern kan Àven reduceras direkt till stÄl med lÄg kolhalt. Detta görs i ett jÀrnsvampverk och istÀllet för kalksten tillsÀtts vÀtgas. Ibland blandas jÀrnsvamp och tackjÀrn med skrot och förÀdlas till stÄl av lika bra kvalitet som stÄl som enbart innehÄller nytt material.
NÀr stÄlet Àr fÀrdigbehandlat gjuts och valsas det till strÀngar. För att fÄ bort gasblÄsor bestÄende av syre eller koldioxid tillsÀtter man mangan eller kisel som oxideras och gasblÄsorna kan pÄ sÄ vis enkelt avlÀgsnas. StÄl dÀr man tagit bort gasblÄsorna kallas för tÀtat stÄl. Förr brukade man inte alltid ta bort gasblÄsorna. Om man dÄ valsade stÄlet fick man vÀldigt ojÀmn kvalitet och stÄlet hade ofta sprickor.
JÀrnoxid reduceras till rent jÀrn med hjÀlp av kol i en masugn.
StÄlets tillstÄndsdiagram
StÄlets tillstÄndsdiagram, vilket ofta Àven kallas jÀrn-kol-diagrammet eller stÄlets fasdiagram, visar stÄlets utseende pÄ molekylnivÄ beroende pÄ dels kolhalt och dels temperatur. Beroende pÄ kolhalten och temperaturen fÄr stÄlets metallgitter, alltsÄ hur atomerna Àr arrangerade, olika utseende.
StÄlets tillstÄndsdiagram visar stÄlets utseende pÄ molekylnivÄ beroende pÄ dels kolhalt och dels temperatur.
Rent jĂ€rn (alltsĂ„ med en kolhalt pĂ„ 0 %) förekommer i tvĂ„ former, dels ferrit och dels austenit. Ferrit existerar upp till 911 °C. Ferrit kan bara lösa upp till 0,05 % kol och Ă€r dĂ€rför mjuk och seg. StĂ„l med 0,85 % kol kallas för perlit. Perlit Ă€r en skivformad blandning av mjuk ferrit och skivor av hĂ„rd cementit. Den Ă€r dĂ€rför medelhĂ„rd. StĂ„l med 6,7 % kol kallas för cementit. Detta ligger lĂ„ngt utanför diagrammet. Cementit Ă€r en mycket hĂ„rd kemisk förening och förekommer som skivor eller runda kulor. Mellan dessa grĂ€nser â ferrit, perlit och cementit â finns blandningar av dessa faser. Ă ver 727 °C bildas austenit, antingen ren eller som blandning med ferrit eller cementit. Ren austenit kan lösa upp till 2 % kol. Om den kyls hastigt hinner inte jĂ€rnet och kolet omvandlas till cementit, utan kolet âfastnarâ. DĂ„ bildas martensit som Ă€r hĂ„rd och spröd. Detta utnyttjas vid hĂ€rdning av stĂ„l. Just temperaturen 727 °C och övergĂ„ngen till austenit Ă€r viktig att beakta vid vĂ€rmebehandling av stĂ„let.
VĂ€rmebehandling
av stÄl
Vid stÄlframstÀllning och bearbetning, t.ex. formning, svetsning eller skÀrande bearbetning, förÀndras stÄlets inre struktur. Oftast vill man ÄterstÀlla strukturen och ge stÄlet önskvÀrda egenskaper. Det görs genom vÀrmebehandling. VÀrmebehandling görs ocksÄ för att ett mjukt stÄl som har bearbetats ska bli hÄrt och starkt.
VÀrmebehandling delas in i tvÄ grupper. HÀrdning gör stÄlet hÄrt, ökar hÄllfastheten, ökar segheten och förbÀttrar slitstyrkan. Glödgning gör stÄlet mjukt och fritt frÄn inre spÀnningar, ökar formbarheten, ger finkorning struktur och förbÀttrar skÀrbarheten.
HĂ€rdning
Vid hĂ€rdning vĂ€rms stĂ„let upp till lĂ€mplig temperatur. Denna hĂ€rdningstemperatur varierar nĂ„got beroende pĂ„ kolhalt. Temperaturen hĂ„lls kvar tills detaljens hela struktur har omvandlats till austenit. DĂ€refter kyls stĂ„let hastigt genom att sĂ€nkas ned i vatten eller olja. Man fĂ„r dĂ„ en mycket hĂ„rd struktur som kallas martensit. Martensit Ă€r uppkallad efter den tyska metallurgen Adolf Martens (1850â1914). Efter hĂ€rdningen brukar man anlöpa stĂ„let, som Ă€r en vĂ€rmebehandling för att göra stĂ„let segt igen. HĂ€rdning av höglegerade stĂ„l sker pĂ„ samma sĂ€tt som för kolstĂ„l, men kylningen görs istĂ€llet i gas.
HÀrdningsresultatet pÄverkas av:
âą kolhalt
⹠legeringsÀmnen
⹠uppvÀrmningstid och hÄlltid
âą kylmedel
âą kylningshastighet
SeghÀrdning höjer stÄlets seghet och hÄllfasthet. KolstÄl med en kolhalt pÄ upp till 0,6 % kan seghÀrdas om dimensionerna Àr klena. För grövre dimensioner anvÀnds seghÀrdning för legerade stÄl.
SĂ€tthĂ€rdning anvĂ€nds pĂ„ stĂ„l med lĂ„g kolhalt, mellan 0,1 % och 0,2 %. NĂ€r man sĂ€tthĂ€rdar fĂ„r man en hĂ„rd yta och seg kĂ€rna. För att uppnĂ„ detta görs en uppkolning av ytan under uppvĂ€rmning till cirka 900 °C dĂ„ stĂ„let omges med kolhaltig gas. Gasen avger kol till stĂ„lets ytskikt och man kan pĂ„ sĂ„ sĂ€tt höja kolhalten pĂ„ ytan till 0,7 %â0,9 %. DĂ€refter hĂ€rdas och anlöps stĂ„let.
Glödgning
De tre vanligaste glödgningsmetoderna Àr normalisering, mjukglödgning och avspÀnningsglödning. Vid svetsning och smidning blir stÄlet oftast grovkornigt. För att fÄ en finkornig struktur igen normaliserar man stÄlet och förbÀttrar pÄ sÄ sÀtt hÄllfastheten och segheten. Normalisering anvÀnds mest pÄ olegerade och lÄglegerade stÄl. KolstÄl med en kolhalt under 0,8 % vÀrms upp till en temperatur strax över den övre omvandlingslinjen i jÀrnkoldiagrammet. Strukturen omvandlas dÄ till austenit. StÄlet fÄr dÀrefter svalna i luft, vilket ger en finkorning blandning av ferrit och perlit. Om kolhalten Àr över 0,8 % vÀrms stÄlet upp till en temperatur strax under den övre omvandlingslinjen. Vid uppvÀrmningen omvandlas strukturen till austenit och cementit. Svalning i luft ger en finkornig blandning av perlit och cementit. Vid normalisering fÄr inte svalningshastigheten vara för lÄngsam för dÄ blir strukturen grovkornig igen. Om svalningshastigheten Àr för hög kan materialet hÀrda.
KolstĂ„l med hög kolhalt och mĂ„nga legerade stĂ„l som har luftsvalnat efter varmbearbetning blir oftast för hĂ„rda för att kunna skĂ€rbearbetas. Mjukglödgning gör att stĂ„lets hĂ„rdhet minskar. De hĂ„rda cementitskivorna i strukturen omvandlas till mjuka runda korn som enklare kan bearbetas. KolstĂ„l med en kolhalt under 0,9 % vĂ€rms till 700â723 °C och hĂ„lls dĂ€r i upp till 10 timmar innan den fĂ„r svalna. Ăr kolhalten under 0,9 % vĂ€rms stĂ„let till 740â760 °C och hĂ„lls dĂ€r i 2â4 timmar. Svalningen mĂ„ste ske mycket lĂ„ngsamt.
AvspĂ€nningsglödning görs för att avlĂ€gsna de inre spĂ€nningar som uppkommit i stĂ„let efter skĂ€rande och plastisk bearbetning samt vid svetsning och alltför snabb kylning efter vĂ€rmebehandling. De inre spĂ€nningarna kan orsaka formförĂ€ndringar vid skĂ€rande bearbetning och ge sprickor vid hĂ€rdning. AvspĂ€nningsglödgning leder inte till nĂ„gon strukturomvandling och pĂ„verkar dĂ€rför inte hĂ„rdheten. Vid avspĂ€nningsglödgning vĂ€rms stĂ„let till 550â650 °C och hĂ„lls vid den temperaturen i ungefĂ€r tvĂ„ timmar. DĂ€refter fĂ„r materialet lĂ„ngsamt svalna i ugnen.
StÄl fÄr olika egenskaper beroende pÄ hur mycket kol det innehÄller. Om man vill förÀndra stÄlets egenskaper kan man vÀrmebehandla stÄlet dÄ man vÀrmer upp det, hÄller kvar det vid en viss temperatur och sedan kyler ner det.
De olika faserna (ferrit, perlit, cementit och austenit) hinner utvecklas i olika omfattning och pÄ sÄ vis kan man förÀndra stÄlets egenskaper. Det finns mÄnga olika orsaker till att man vill vÀrmebehandla stÄl. Om stÄl kallbearbetas blir det sprött, vilket oftast Àr sÄ negativt att man vill ÄtgÀrda det. Man kan dÄ rekristallationsglödga det för att göra materialet segare igen. Om stÄl utsÀtts för hetta pÄ en begrÀnsad del av det uppstÄr inre spÀnningar, vilket kan göra att det brister vid mycket lÀgre pÄfrestning Àn stÄlet klarar utan de inre spÀnningarna. Man kan dÄ avspÀnningsglödga det för att göra materialet spÀnningsfritt.
StÄltyper
Beroende pÄ anvÀndningsomrÄde delar man in stÄl i tre grupper: konstruktionsstÄl, verktygsstÄl och rostfria stÄl. Rostfria stÄl innehÄller minst 12 % krom. Ytterligare legeringsÀmnen Àr nickel och ofta ocksÄ molybden. Rostfritt stÄl anvÀnds exempelvis till diskbÀnkar, detaljer till tvÀttmaskiner, rör, bestick och saxar. VerktygsstÄl anvÀnds för att tillverka verktyg, t.ex. svarvstÄl, stansar, dynor, valsar, borrar, mejslar, filar och knivar. VerktygsstÄl har god slitstyrka, eggskÀrpa, hÄrdhet och seghet. De brukar levereras i mjukt tillstÄnd för att sedan hÀrdas efter bearbetning som svarvning och frÀsning. Kolhalten Àr mellan 0,6 % och 1,2 %. En speciell typ av verktygsstÄl kallas för snabbstÄl. De har höga halter av legeringsÀmnena krom, molybden, wolfram, kobolt och vanadin. De anvÀnds framför allt till verktyg för skÀrande bearbetning. Detta eftersom de behÄller sin hÄrdhet upp till 600 °C.
KonstruktionsstÄl
StÄl
Indelning av stÄl beroende pÄ anvÀndningsomrÄde. Rostfria stÄl VerktygsstÄl
AllmÀnna konstruktionsstÄl
TryckkÀrlsstÄl
MaskinstÄl
SeghÀrdningsstÄl
SÀtthÀrdningsstÄl
FjÀderstÄl
AutomatstÄl
KonstruktionsstÄl Àr det gemensamma namnet för flera olika stÄltyper. Kolhalten Àr lÄg, oftast mellan 0,1 % och 0,6 %. StÄl avsedda för svetsning har Ànnu lÀgre kolhalt. KonstruktionsstÄl levereras varmvalsade, kallbearbetade och ibland vÀrmebehandlade. KonstruktionsstÄlen delas in i undergrupper beroende pÄ anvÀndningsomrÄde:
⹠A llmÀnna konstruktionsstÄl Àr den allra vanligaste och billigaste stÄltypen avsedda för tyngre produkter som byggnader, broar, master, traverser och cisterner. AllmÀnna konstruktionsstÄl har lÄg kolhalt (under 0,25 %), ganska lÄg hÄllfasthet och Àr ganska sega. Den lÄga kolhalten gör dem svetsbara.
⹠TryckkÀrlsstÄl Àr svetsbara eftersom kolhalten Àr maximalt 0,25 %. StÄlet har ganska hög hÄllfasthet. Som namnet antyder anvÀnds stÄlet till tryckbehÄllare och Ängpannor.
âą MaskinstĂ„l Ă€r stĂ„l avsedda för skĂ€rande bearbetning som svarvning och frĂ€sning. MaskinstĂ„l har högre hĂ„llfasthet Ă€n vad allmĂ€nna konstruktionsstĂ„l har. Kolhalten Ă€r mellan 0,25â0,60 % och stĂ„let lĂ€mpar sig inte för svetsning. Det Ă€r inte heller avsett att hĂ€rdas. MaskinstĂ„l anvĂ€nds exempelvis till axlar, skruvar, muttrar och lastkrokar.
⹠SeghÀrdningsstÄl finns som bÄde legerade och olegerade. De olegerade anvÀnds mest för klena axlar och kan seghÀrdas. Grövre dimensioner Àr legerade med mangan och ytterligare legeringsÀmnen som krom. SeghÀrdningsstÄl anvÀnds för detaljer med höga hÄllfasthetskrav som axlar, vevstakar och kugghjul. NitrerstÄl Àr seghÀrdningsstÄl som efter seghÀrdningen behandlats för att fÄ ett mycket tunt och hÄrt ytskikt. StÄlet anvÀnds till smÄ komplicerade konstruktionsdetaljer som inte kan hÀrdas pÄ annat sÀtt.
⹠SÀtthÀrdningsstÄl har lÄg kolhalt, vilken kan höjas pÄ ytan genom hÀrdning. Den lÄga kolhalten gör stÄlet segt. Om kÀrnans hÄllfasthet behöver ökas kan man legera stÄlet. SÀtthÀrdningsstÄl anvÀnds framför allt dÄ ytan behöver vara hÄrd och nötningsbestÀndig som t.ex. kugghjul och kamaxlar.
⹠FjÀderstÄl har hög kolhalt och extremt hög strÀckgrÀns för att kunna ta upp stor deformation och dÀrefter kunna ÄtergÄ till ursprunglig form. StÄlet anvÀnds sÄklart bl.a. till fjÀdrar, men Àven till pianotrÄdar.
⹠AutomatstÄl Àr avsett för skÀrande bearbetning och ger dÄ korta spÄn. StÄlet anvÀnds till massproduktion av detaljer sÄsom skruvar och muttrar.
GrundlÀggande mekanik
Inledning
Kraft betecknas allmÀnt med bokstaven F, frÄn engelskans Force. Ofta anvÀnder man prefix, t.ex. F1, F2 , F3 och sÄ vidare, om en konstruktion utsÀtts för flera krafter. Andra beteckningar för kraft förekommer, t.ex. P, R , T eller vilken annan bokstav som helst.
Enheten för kraft Ă€r newton (N). Enheten newton Ă€r uppkallad efter den brittiske fysikern Isaac Newton (1642â1727).
Tyngdaccelerationen g
Tyngdaccelerationen g varierar över jordens yta eftersom jordklotet inte Ă€r ett klot, utan p.g.a. dess rotation Ă€r tillplattad vid polerna. DĂ€rför Ă€r tyngdaccelerationen nĂ„got mindre vid ekvatorn Ă€n vid polerna, eftersom man befinner sig lĂ€ngre ifrĂ„n jordens mitt vid ekvatorn Ă€n vid polerna. Tyngdaccelerationen varierar frĂ„n g â 9,780 m/s2 vid ekvatorn och g â 9,832 m/s2 vid polerna. I Sverige varierar tyngdaccelerationen frĂ„n g â 9,815 m/s2 vid Smygehuk till g â 9,824 m/s2 vid Treriksröset. I verkligheten Ă€r det vanligt att anvĂ€nda g â 9,81 m/s2 . HĂ€r nöjer vi oss med att approximera tyngdaccelerationen till g â 10 m/s2 .
Statisk jÀmvikt
Statisk jÀmvikt innebÀr att en kropp stÄr still. Den rör sig inte i nÄgon riktning och den roterar inte Ät nÄgot hÄll, det vill sÀga:
ÎŁ F x = 0
ÎŁ F y = 0
ÎŁ M = 0
Detta gÀller för statisk jÀmvikt i tvÄ dimensioner. Vid statisk jÀmvikt i tre dimensioner tillkommer Σ F z = 0 och dessutom blir momentekvationerna tre, en vardera för x, y och z . I den hÀr boken tas endast statisk jÀmvikt i tvÄ dimensioner upp.
Vid Smygehuk Ă€r tyngdaccelerationen g â 9,815 m/s2 .
Med hjÀlp av detta ekvationssystem bestÄende av tre ekvationer kan vi, i ett steg med ett ekvationssystem eller flera steg med flera ekvationssystem, ta reda pÄ alla krafter som pÄverkar en konstruktion.
ArbetsgÄng:
1. Rita figur.
2. FrilÀgg.
3. SÀtt ut de krafter som verkar pÄ den frilagda kroppen.
4. BestÀm en strategi för hur och i vilken ordning berÀkningarna ska göras.
5. Definiera riktningen för positiv kraft och positivt moment.
6. StÀll upp lÀmpliga samband. Definiera variabler.
7. Utför de berÀkningar som erfordras för ett resultat.
8. Gör en rimlighetsbedömning; Ăr resultatet rimligt bĂ„de vad gĂ€ller storlekar och riktningar?
Ofta skriver man in alla enheter nÀr man sÀtter in siffervÀrden i formler och ekvationer. I denna bok skriver vi endast in enheter i resultatet av utrÀkningarna.
EXEMPEL 6.1
BerÀkna resultantens storlek och riktning.
Lösning:
Svar: Resultantens storlek Àr 8,2 N och riktningen 76° frÄn horisontalplanet.
EXEMPEL 6.2
En balk Àr fritt upplagd pÄ tvÄ stöd och utsÀtts för en punktlast om 10 kN.
BerÀkna reaktionskrafterna (R A och R B) vid A och B.
Lösning:
(â) RA + RB 10 = 0 (1) [kraftjĂ€mvikt i vertikal led]
Svar: Reaktionskraften Àr 6 kN vid A och 4 kN vid B.
En traverskran Àr ett exempel pÄ en balk fritt upplagd pÄ tvÄ stöd och som Àr utsatt för en punktlast.
En balk Àr fritt upplagd pÄ tvÄ stöd och utsÀtts för en punktlast om 10 kN. BerÀkna reaktionskrafterna vid A och B.
Lösning:
B B
Vid utbredd last blir momentarmen avstÄndet frÄn momentpunkten till mitten av den utbredda lasten, eller om man sÄ vill den genomsnittliga hÀvarmen. Det Àr ju 3 m frÄn momentpunkten till dÀr den utbredda lasten börjar till vÀnster men 5 m till dÀr den slutar till höger.
(â) RA + RB 10 6 â 2 = 0 (1)
(A) 10 â 2 + 6 â 2 â 4 RB â 5 (2)
(2) â 68 = RB â 5
RB = 68 5 = 13,6Â kN
(1) â RA + 13,6 10 6 â 2 = 0
RA = 10 + 12 13,6 = 8,4Â kN
Svar: Reaktionskraften Àr 8,4 kN vid A och 13,6 kN vid B.
6.1 I tabellen nedan anges ungefĂ€rliga vĂ€rden pĂ„ tyngdaccelerationen g för nĂ„gra olika platser pĂ„ jorden. BerĂ€kna tyngden för en person med massan 80 kg pĂ„ de olika platserna och jĂ€mför med tyngden om man approximerar tyngdaccelerationen till g â 10 m/s2.
Plats
Nordpolen
9, 832 m/s2
Smygehuk 9,815 m/s2
Pompeji 9,802 m/s2
Kairo 9,786 m/s2
Ekvatorn 9,780 m/s2
6.2 Hur stora Àr krafterna i trÄdarna i anordningarna A, B och C nedan? Med vilka krafter pÄverkas trissorna i B och C?
6.3 TvÄ krafter F x = 40 N och F y = 80 N har samma angreppspunkt. Krafterna bildar rÀt vinkel. BerÀkna resultantens storlek och riktning.
6.4 BerÀkna resultantens storlek och riktning.
6.5 BerÀkna resultantens storlek och riktning.
6.6 BerÀkna resultantens storlek och riktning.
6.7 En lamparmatur som vÀger 6 kg Àr upphÀngd i en lina i taket. BerÀkna krafterna i linorna.
6.8 En lamparmatur som vÀger 1 kg Àr upphÀngd i en lina i taket. BerÀkna krafterna i linorna.
6.9 En lamparmatur som vÀger 2 kg Àr upphÀngd i en lina i taket och vÀggen. BerÀkna krafterna i linorna.
6.13 En balk Àr fritt upplagd pÄ tvÄ stöd och utsÀtts för punktlasterna 5 kN och 15 kN. BerÀkna reaktionskrafterna vid stöden.
6.10 Om kraften F Àr 200 N, lÀngden L = 0,2 m och vinkeln mellan kraften och nyckeln Àr 90°, hur stort blir momentet M som muttern kan dras Ät med?
6.11 Om kraften F Àr 150 N, lÀngden L = 25 cm och vinkeln v = 30°, hur stort blir momentet M som muttern kan dras Ät med?
6.12 En balk Àr fritt upplagd pÄ tvÄ stöd och utsÀtts för en punktlast om 12 kN. BerÀkna reaktionskrafterna vid stöden.
6.14 En 3 m lÄng balk Àr fast inspÀnd och utsÀtts för en utbredd last om totalt 10 kN. BerÀkna reaktionskrafterna vid infÀstningen.
6.15 En balk Àr fritt upplagd pÄ tvÄ stöd och utsÀtts för en punktlast om 18 kN och en utbredd last om 4 kN/m. BerÀkna reaktionskrafterna vid stöden.
6.16 En 4 m lÄng balk Àr fast inspÀnd och belastas med en utbredd last om totalt 5 kN och en punktlast om 1 kN. BerÀkna reaktionskrafterna vid infÀstningen.
6.17 En tyngdlyftningsstÄng vÀger 20 kg. En viktskiva pÄ 10 kg trÀs pÄ den ena Ànden och en pÄ 20 kg pÄ den andra. BÄda skivorna fÀsts 60 cm frÄn stÄngens mittpunkt. Var ska man hÄlla stÄngen för att den ska vÀga jÀmnt?
6.18 En 5 m lÄng limtrÀpelare av gran ligger i ena Ànden pÄ en bock och hÄlls i horisontellt lÀge av en snickare. LimtrÀpelarens tvÀrsnitt Àr kvadratiskt med sidan 90 mm. AvstÄndet frÄn bocken till Ànden av limtrÀpelaren Àr 0,4 m. Med vilken kraft mÄste personen lyfta limtrÀpelaren för att hÄlla den i horisontellt lÀge och med vilken kraft trycker pelaren mot bocken? Densiteten för gran Àr 470 kg/m3.
6.19 En vertikal stolpe AB Àr ledbart monterad vid marken och vid toppen belastad med en horisontell kraft pÄ 500 N. Stolpen hÄlls i vertikalt lÀge med hjÀlp av staget CD. BerÀkna kraften i CD och infÀstningen vid B.
6.20 En homogen stÄng, som har tyngden 2 000 N och lÀngden 5 m, Àr rörlig kring ett gÄngjÀrn i sin nedre Ànde. StÄngen bildar 25° vinkel med horisontalplanet. En staglina bildar 50° vinkel med stÄngen och Àr fÀst i denna pÄ avstÄndet 3 m frÄn gÄngjÀrnet. I stÄngens övre Ànde hÀnger en tyngd F = 5 000 N. BerÀkna till storlek och riktning den kraft varmed gÄngjÀrnet pÄverkar stÄngen.
Fackverk
En struktur bestÄende av ett antal stag eller balkar och som kopplats ihop i trianglar med mer eller mindre ledade knutpunkter kallas för fackverk. Exempel pÄ fackverkskonstruktioner Àr byggkranar, takstolar, broar och skal, t.ex. innanför det vita yttre pÄ vÀrldens största sfÀriska byggnad Avicii Arena.
Broar, takstolar, byggkranar och Avicii Arena under byggnationen 1987 Àr exempel pÄ fackverkskonstruktioner.
De ledade knutpunkterna i ett fackverk kan inte överföra moment, bara krafter. Stagen i ett fackverk utsÀtts antingen för drag- eller tryckkrafter. I t.ex. en byggkran kan vissa stag utsÀttas för omvÀxlande drag- och tryckkrafter, beroende pÄ hur kranen belastas. TvÄ sÀtt att berÀkna stagkrafterna i ett fackverk Àr knutpunktsmetoden och snittmetoden
Knutpunktsmetoden
Metoden gÄr ut pÄ att i varje knutpunkt i fackverket uppfylla jÀmv iktsv illkoren. Krafterna i stagen ur tvÄ jÀmviktsekvationer:
ÎŁ F x = 0
ÎŁ F y = 0
NÀr man berÀknar stagkrafterna i ett fackverk med hjÀlp av knut punktsmetoden Àr det bra att planera i vilken ordning man ska gÄ frÄn knutpunkt till knutpunkt, sÄ att man hela tiden har maximalt tvÄ obekanta stagkrafter i varje knutpunkt till sina tvÄ ekvationer i ekvationssystemet. NÀr man frilÀgger varje knutpunkt ska man ocksÄ se till att kraftpilarna alltid pekar bort frÄn knutpunkten. DÄ kommer tecknet tala om ifall stÄngen utsÀtts för tryckkraft eller dragkraft. Om berÀkningen visar en negativ kraft betyder det att stÄngen utsÀtts för en tryckkraft och om berÀkningen visar en positiv kraft betyder det att stÄngen utsÀtts för en dragkraft.
ArbetsgÄng:
1. FrilÀgg hela fackverket för att bestÀmma reaktionskrafterna
2. Gör en plan för i vilken ordning knutpunkterna ska bestÀmmas
3. âSĂ„ga avâ stĂ€ngerna runt knutpunkten och markera stĂ„ngkrafterna alltid med en pil bort frĂ„n knutpunkten
4. StÀll upp en kraftjÀmvikt i vertikal led och en i horisontell led
5. Om berÀkningen ger ett negativt vÀrde pÄ den okÀnda kraften betyder det att den utsÀtts för en tryckkraft och om berÀkningen ger ett positivt vÀrde betyder det dragkraft
6. Markera tryckkraft med (T) efter den slutförda berÀkningen och dragkraft med (D)
BestÀm samtliga stÄngkrafter i fackverket.
Lösning:
(â) R A â L + R D = 0 (1)
(A) L · 2 â RD · 6 = 0 (2)
(2) â RD = L · 2 6 = 15 · 2 6 = 5 kN
(1) â RA = L â 5 = 15 â 5 = 10Â kN
(I)
(â) RA + AF · sin 45° = 0
AF = â RA sin 45° = â 10 1 â 2 = â 10 â 2  kN (T)
(â) AF · cos 45° + AB = 0
AB = â AF cos 45° = â (â 10 â 2 1 â 2) = 10 kN (D)
Den sista jÀmviktsekvationen behövs pÄ sÀtt och vis inte eftersom alla ingÄende krafter Àr kÀnda, men kan ÀndÄ fungera som en kontroll dÄ alltihop ska bli noll om det stÀmmer.
Snittmetoden
I snittmetoden kan vi förutom kraftjÀmvikt i horisontell och vertikal led Àven utnyttja momentjÀmvikt:
ÎŁ F x = 0
ÎŁ F y = 0
ÎŁ M = 0
Snittmetoden har dessutom fördelen att stagkrafterna i snittet berÀknas direkt istÀllet för att gÄ omvÀgen via knutpunkterna i fackverket. Dock kan de bÄda metoderna kombineras för att effektivisera berÀkningsarbetet.
NÀr man frilÀgger ett snitt ska man precis som vid knutpunktsmetoden se till att kraftpilarna alltid pekar bort frÄn snittet. DÄ kommer tecknet tala om ifall stÄngen utsÀtts för tryckkraft eller dragkraft. Om berÀkningen visar en negativ kraft betyder det att stÄngen utsÀtts för en tryckkraft och om berÀkningen visar en positiv kraft betyder det att stÄngen utsÀtts för en dragkraft.
ArbetsgÄng:
1. FrilÀgg hela fackverket för att bestÀmma reaktionskrafterna
2. âSĂ„gaâ rakt igenom hela fackverket och markera stĂ„ngkrafterna alltid bort frĂ„n stĂ„ngen
3. StÀll upp en kraftjÀmvikt i vertikal led och en i horisontell led samt en momentjÀmvikt
4. Om berÀkningen ger ett negativt vÀrde pÄ den okÀnda kraften betyder det att den utsÀtts för en tryckkraft och om berÀkningen ger ett positivt vÀrde betyder det dragkraft
5. Markera tryckkraft med (T ) efter den slutförda berÀkningen och dragkraft med (D)
BestÀm samtliga stÄngkrafter i fackverket.
Lösning:
(â) R A â L + R D = 0
(A) L 2 â RA 6 = 0
R D = L · 2 6 = 15 · 2 6 = 5 kN
RA = L â 5 = 15 â 5 = 10Â kN
VĂ€nster del:
(â) R A + BE · sin 45° â L = 0 (1)
(â) BC + BE · cos 45° + EF = 0 (2)
(A) L · 2 â BE · sin 45° â 2 â EF · 2 = 0 (3)
(1) â BE = L â RA sin 45° = 15 â 10 1 â 2 = 5 · â 2  kN
(3) â EF = â L · 2 â BE · sin 45° â 2 2 = â L + BE · sin 45° = = â 15 + 5 · â 2 · 1 â 2 = â 10 kN (T)
(2) â BC = â EF â BE cos 45° = â (â 10) â 5 â 2 1 â 2 = 10 â 5 = 5 kN (D)
Förutom snittet mitt i fackverket behöver man göra ett snitt genom fackverket vid knutpunkterna A och D, men dÄ blir frilÀggningen och jÀmviktsekvationen precis som nÀr knutpunktsmetoden anvÀndes ovan.
6.21 En lyftanordning lyfter tyngden 100 kg via en lina i punkten C. BerÀkna belastningen pÄ stÄngen AB respektive stÄngen BC. Ange Àven om det Àr tryck- eller dragkrafter.
6.22 BerÀkna stagkrafterna i fackverket. Ange om det Àr tryck- eller dragkrafter.
6.24 BerÀkna stagkrafterna i fackverket. Ange om det Àr tryck- eller dragkrafter.
6.23 BerÀkna stagkrafterna i fackverket. Ange om det Àr tryck- eller dragkrafter.
6.25 BerÀkna stagkrafterna i fackverket. Ange om det Àr tryck- eller dragkrafter.
En 5 m lÄng fritt upplagd balk utsÀtts för tvÄ punktlaster om 10 kN respektive 5 kN. Rita tvÀrkrafts- och momentdiagram. BerÀkna maximala böjmomentet och ange var detta intrÀ ar.
Lösning:
(â) R A â 10 â 5 + RB = 0
(A) 10 · 2 + 5 · 4 â RB · 5 = 0
RB = 10 2 + 5 4 5 = 8Â kN
RA = 10 + 5 â 8 = 7Â kN
(â) 7 + TI = 0
TI = â 7
(A) MI + 7 · x = 0
MI = â 7 · x
(â) 7 â 10 + TII = 0
TII = 3
(A) MII + 7 · x â 10 · (x â 2) = 0
MII + 7 x â 10 x + 20 = 0
MII = 3 · x â 20
HÄllfasthetslÀra
TIII = 8
(A) MIII + 7 · x 10 · (x 2) 5 · (x 4) = 0
MIII + 7 · x 10 · x + 20 5 · x + 20 = 0
MIII = 8 · x 30
Vid punktlaster Àr tvÀrkraften konstant dÀr det inte tillkommer nÄgon kraft. DÀr tvÀrkraftsdiagrammet visar en positiv tvÀrkraft ger det en positiv lutning i momentdiagrammet. Negativ tvÀrkraft i tvÀrkraftsdiagrammet ger en negativ lutning i momentdiagrammet. Om tvÀrkraften byter tecken flera gÄnger mÄste momentet kontrolleras i alla punkter dÀr tvÀrkraften Àr noll för att veta i vilken punkt momentet Àr störst. I exemplet ovan mÄste dÀrför momentet kontrolleras bÄde dÄ x = 2 och dÄ x = 4.
KONSTRUKTION
för gymnasiet
Konstruktion för gymnasiet Àr en helt ny bok anpassad för Gy25. InnehÄllet tÀcker bÄde nivÄ 1 och nivÄ 2 i Àmnet konstruktion. Konstruktion nivÄ 1 ingÄr i inriktningen Design och produktutveckling. Boken kan Àven anvÀndas i programfördjupningar i konstruktion pÄ inriktningarna SamhÀllsbyggande och miljö, Produktionsteknik och Teknikvetenskap.
Delar av Konstruktion för gymnasiet kan Àven tÀnkas vara anvÀndbara i Teknik nivÄ 2 och nivÄ 3.
Författare till Konstruktion för gymnasiet Àr Robert Korån med mÄngÄrig erfarenhet som lÀrare i flera teknikÀmnen.
