Sähkömekaanisen voimansiirron haasteet työkoneiden ajovoimalinjoissa

Increasing energy costs are forcing non-road mobile machinery (NRMM) manufacturers to produce more efficient drivetrains. Developing hybridization of drivetrains is facing many challenges. One typical situation is when electromechanical power transmission challenges arise when adding an electric motor to an otherwise conventional type of drivetrain. The main engineering targets are the great differences in torque and speed characteristics for electric motors vs. combustion engines. The aim of this thesis is to find different alternatives of down gearing an electric motor and to explain the characteristics of them. The purpose of this thesis is also to serve as a concept level design guide for those who want to replace the combustion engine with an electric motor and need to down gear the motor especially in NRMM purposes. This thesis introduces the reader to the most typical hybrid and electric drivetrains and how the electromechanical transmission challenges appear in the different types of drivetrains. The main differences in car and NRMM drivetrains are introduced as well as the conventional drivetrain briefly. Furthermore the design perspective of a hybrid drivetrain is introduced. Different subsystems and typical matters to take into account when designing a hybrid drivetrain are discussed. In addition, characteristics of different types of power transmission are introduced to the reader. Also comparison of the different power transmission types is performed to help the reader in a hybrid drivetrain concept design phase. This comparison is focused on the torque and rotational speed problematics. The main result of the thesis is the case study. The case study is presented in the end of the thesis. This case study was performed in Aalto University at the Vehicle Engineering research group for the Tubridi-project. In this case study two electromechanical transmissions for NRMM were designed and parts ordered. Belt drive transmissions were selected to be designed within this thesis work. Gear ratios resulted as 3:1 for the belt drive on the front axle drivetrain and 2:1 for the rear. Belt drive parts were ordered from two different manufacturers. NRMM in focus was a 14 ton underground mining loader. Mechanical design drawings are presented in the end of the thesis as attachment. A belt drive turned out to be possible to implement to the target work machine.Työkoneiden energiankulutusta pyritään pienentämään parantamalla ajovoimalinjojen hyötysuhdetta. Eräs keino hyötysuhteen nostamiseen on ajovoimalinjojen sähköistys ja hybridisointi. Sähkö- ja polttomoottorilla on eri vääntökäyttäytyminen, mikä aiheuttaa haasteita liitettäessä sähkömoottori perinteiseen ajovoimalinjaan. Tämän työn tavoitteena on löytää erilaisia sähkömoottoriin liitettäviä voimansiirtoratkaisuja, joilla voidaan alentaa pyörimisnopeutta. Eri voimansiirtoratkaisujen vääntömomentteja, pyörimisnopeuksia ja erityispiirteitä arvioidaan ja vertaillaan hybridiajovoimalinjan konsepti-suunnittelun tueksi. Työn tarkoituksena on myös toimia konseptitason suunnittelun apuvälineenä varsinkin tilanteessa, jossa työkoneen polttomoottori halutaan korvata sähkömoottorilla ja tarvitaan alennusvaihde. Työssä esitetään tyypillisimmät hybridi- ja sähköajovoimalinjat ja miten sähkömekaanisen voimansiirron haasteet ilmenevät niissä. Olennaiset erot autojen ja työkoneiden ajovoimalinjojen välillä esitetään. Hybridiajovoimalinjojen suunnitteluperiaatteet esitetään. Työn merkittävin tulos on käytännön osuus, joka suoritettiin Aalto-yliopistossa Ajoneuvotekniikan tutkimusryhmässä Tubridi-projektille. Tässä käytännön osuudessa suunniteltiin ja tilattiin osat kahteen sähkömekaaniseen voimansiirtoon 14 tonnin kaivoslastaajaa varten. Hihnaveto valittiin tässä työssä suunniteltaviksi voimansiirroiksi. Etuakselin hihnavedon välityssuhteeksi saatiin 3:1 ja taka-akselin välityssuhteeksi 2:1. Hihnavetojen osat tilattiin kahdelta eri valmistajilta. Osien ja kokoonpanojen työkuvat on esitetty työn lopussa. Hihnaveto osoittautui mahdolliseksi toteuttaa voimanvälitystavaksi kohteena olleeseen työkoneeseen