Energy Efficiency Consideration in Electric Vehicle Transmission

This study is a survey of benefits and drawbacks of embedding a variable gearbox instead of a single reduction gear in electric vehicle powertrain from efficiency point of view. Losses due to a pair of spur gears meshing with involute teeth are modeled on the base of Coulomb’s law and fluid mechanics. The model for a variable gearbox is fulfilled and further employed in a complete vehicle simulation. Simulation model run for a single reduction gear then the results are taken as benchmark for other types of commonly used transmissions. Comparing power consumption, which is obtained from simulation model, shows that the extra load imposed by variable transmission components will shade the benefits of efficient operation of electric motor. The other accomplishment of this study is a combination of modified formulas that led to a new methodology for power loss prediction in gear meshing which is compatible with modern design and manufacturing technology.

Maastotyökoneen ajomoottorin hybridisointiin soveltuvan napavaihteiston dynamiikan mallinnus.

Työn tavoitteena oli mallintaa maastotyökoneen ajomoottorin hybridisointiin soveltuvan napavaihteiston dynamiikka. Työ tehtiin osana Saimaan ammattikorkeakoulun tutkimusprojektia, jonka tarkoituksena oli ajomoottorin ja integroidun napavaihteiston kaupallistaminen maastotyökoneisiin. Maastotyökoneena simulointimallissa käytettiin tyypillistä maataloustraktoria, johon kytkettiin vielä peräkärry. Traktorin renkaiden napaan oli kytketty ajomoottorina toimiva sähkömoottori, jonka sisään simuloitu napavaihteisto oli integroitu. Napavaihteiston dynamiikan mallintamiseen käytettiin monikappaledynamiikan simulointiohjelmistoa (Adams). Ohjelmalle määritettiin napavaihteiston komponenttien parametrit, joista voitiin simuloida vaihteiston dynaaminen käyttäytyminen. Simuloidusta mallista saatiin kytkimiin kohdistuvat voimat kytkentätilanteessa sekä sähkömoottorin väännön suunnanvaihtotilanteessa eri akselin pituuksilla, eri kytkinten nopeuseroilla, eri traktorin painoilla ja eri kuormilla ajettaessa. Mallissa simuloitiin myös sähkömoottorin käyttäytyminen vaihteenvaihtotilanteessa eri pyörimisnopeuden säätimen kertoimilla. Työssä huomattiin, että akselin mitoituksella voitiin vaikuttaa vaihteistossa ilmeneviin voimiin kytkimen kytkentähetkellä. Myös kytkimen hammastuksessa olevalla hammasvälyksellä voitiin vaikuttaa kytkimiin kohdistuviin voimiin suunnanvaihtotilanteissa. Vaihteistoon kohdistuvista voimista voidaan jatkossa suunnitella kytkimen ja akselin profiili, jotta vaihteisto kestää siihen kohdistuvat voimat.

Ligniinin hienojauhatus planeettamyllyllä

Kirjallisuusosassa tarkastellaan ligniiniä luonnon polymeerinä sekä sen kemiallisia perustietoja. Aiheena on myös sen tuotanto ja käyttö uusiutuvana raaka-ainelähteenä energian-, materiaali- ja kemikaalituotantoon sekä niiden mahdolliset tulevaisuudennäkymät. Mekaanisten prosessien osalta keskitytään kiintoaineen hienontamiseen. Lisäksi perehdytään planeettamyllyn toiminnan teoriaan sekä tuoreimpiin tutkimuksiin planeettamyllyjauhatukseen liittyen. Työn kokeellisen osan tarkoituksena oli tutkia ligniinin jauhautuvuutta, sillä partikkelien pienentämisellä voidaan kasvattaa ligniininijauheen ominaisalaa ja tasoittaa sen kokojakaumaa. Jauhautuvuuden avulla voidaan esimerkiksi arvioida ligniinille tehtävän hienojauhatuksen kannattavuutta jatkoprosesseja varten. Tutkimuskysymyksinä oli ”kuinka hyvin ligniini jauhautuu planeettamyllyllä?”, ”onko kylmäkäsittelyllä vaikutusta jauhatustulokseen?”, ”miten eri parametrit (jauhatusaika, kuulakoko ja kierrosnopeus) vaikuttavat jauhatustulokseen?” sekä ”muuttaako hienojauhatus ligniinin kemiallista koostumusta?”. Tutkittavana materiaalina oli kaupallinen kraft-ligniini ja koelaitteena käytettiin planeettamyllyä. Syötölle ja kaikille jauhatustuotteille suoritettiin partikkelikokoanalyysi, ja lisäksi syötölle ja erittäin hienoksi jauhetulle tuotteelle suoritettiin FTIR-analyysi. Kokeiden mukaan ligniini oli hyvin jauhautuvaa, eikä kylmäkäsittelyllä ollut merkittävää vaikutusta jauhatukseen. Kuulakoon pienentäminen sekä jauhatusajan ja kierrosnopeuden kasvattaminen alensivat ligniininjauheen partikkelikokoa. Lisäksi hienojauhatuksen ei todettu muuttaneen ligniinin kemiallista koostumusta.

Vibrations in Rotating Machinery Arising from Minor Imperfections in Component Geometries

Vibrations in machines can cause noise, decrease the performance, or even damage the machine. Vibrations appear if there is a source of vibration that excites the system. In the worst case scenario, the excitation frequency coincides with the natural frequency of the machine causing resonance. Rotating machines are a machine type, where the excitation arises from the machine itself. The excitation originates from the mass imbalance in the rotating shaft, which always exists in machines that are manufactured using conventional methods. The excitation has a frequency that is dependent on the rotational speed of the machine. The rotating machines in industrial use are usually designed to rotate at a constant rotational speed, the case where the resonances can be easily avoided. However, the machines that have a varying operational speed are more problematic due to a wider range of frequencies that have to be avoided. Vibrations, which frequencies equal to rotational speed frequency of the machine are widely studied and considered in the typical machine design process. This study concentrates on vibrations, which arise from the excitations having frequencies that are multiples of the rotational speed frequency. These vibrations take place when there are two or more excitation components in a revolution of a rotating shaft. The dissertation introduces four studies where three kinds of machines are experiencing vibrations caused by different excitations. The first studied case is a directly driven permanent magnet generator used in a wind power plant. The electromagnetic properties of the generator cause harmonic excitations in the system. The dynamic responses of the generator are studied using the multibody dynamics formulation. In another study, the finite element method is used to study the vibrations of a magnetic gear due to excitations, which frequencies equal to the rotational speed frequency. The objective is to study the effects of manufacturing and assembling inaccuracies. Particularly, the eccentricity of the rotating part with respect to non-rotating part is studied since the eccentric operation causes a force component in the direction of the shortest air gap. The third machine type is a tube roll of a paper machine, which is studied while the tube roll is supported using two different structures. These cases are studied using different formulations. In the first case, the tube roll is supported by spherical roller bearings, which have some wavinesses on the rolling surfaces. Wavinesses cause excitations to the tube roll, which starts to resonate at the frequency that is a half of the first natural frequency. The frequency is in the range where the machine normally operates. The tube roll is modeled using the finite element method and the bearings are modeled as nonlinear forces between the tube roll and the pedestals. In the second case studied, the tube roll is supported by freely rotating discs, which wavinesses are also measured. The above described phenomenon is captured as well in this case, but the simulation methodology is based on the flexible multibody dynamics formulation. The simulation models that are used in both of the last two cases studied are verified by measuring the actual devices and comparing the simulated and measured results. The results show good agreement.

Transition management in action within the context of nutrient economy

Tämä työ tutkii ja tarkastelee transitio-kokeilua ravinnetaloudessa. Transitio-kokeilu on toimintatutkimusprojekti, joka toteutetaan systeemisen muutoksen ajattelun mukaisesti alhaalta ylöspäin. Ravinnetalous määritetään tarkemmin työn kautta sekä analysoidaan monitaso-perspektiivin näkökulmasta. Ravinnetalous on terminä varsin tuntematon ja tarvitsee enemmän tunnettavuutta laajemman yleisön edessä. Transitio-areenan ja transitio-visioiden kehittäminen ovat työn keskipisteessä, koska ne ovat tärkeimpiä vaiheita transition alkuvaiheessa. Joukko sidosryhmätoimijoita osallistuu transitio areenaan sekä visioiden jatkokehittelyyn. Visio(t) luodaan ensisijaisesti backcasting-menetelmällä, jota myös täydennetään tavanomaisella ennustamisella. Backcasting- menetelmä on osin osallistava ja siinä käytetään ravinteiden planeettarajoja kvantitatiivisina pääperiaatteina, minkä tuloksena myös visiot ovat osin kvantitatiivisia. Transitio areenan kokoaminen ja fasilitointi aiheuttavat hankalia kysymyksiä, jotka tarvitsevat jatko-tutkimusta. Alhaalta-ylöspäin organisoitu transitio-arena houkuttelee niche-toimijoita, mutta epäonnistuu sitouttamaan julkisen vallan toimijoita. Toimintamallin voimasuhteet, politiikka ja transition vakiinnuttaminen tulisivat olla jatko-toimenpiteinä niin tutkimuksessa kuin toiminnassakin.

Teollisuusvaihteiden kunnossapitopalvelun arvoelementit

Tutkimusongelmana oli tiedon lisääminen teollisuusvaihteiden kunnossapitopal-veluiden asiakasarvon muodostumiseen liittyen. Työn tavoitteena oli arviointi-mallin rakentaminen asiakasarvon osatekijöiden selvittämiseksi sekä niiden tär-keysjärjestykseen saamiseksi. Tutkimusongelmaa lähestyttiin kolmesta teo-rianäkökulmasta: (1) Arvo-käsitteen ja arvoon läheisesti kytköksissä olevista suorituskyvyn osatekijöiden määrittelystä, (2) kunnossapidon merkityksestä ja roolista yrityksen liiketoiminnassa ja (3) asiakas-toimittaja –suhteen merkityk-sestä asiakasarvon muodostumisessa. Teorianäkökulmien pohjalta muodostettiin teollisuusvaihteiden kunnossapidon viitekehykseen sopiva arvohierarkia, jonka osatekijöiden, arvoelementtien, yhteisvaikutuksesta kunnossapitopalvelun asia-kasarvo syntyy. Työn empiriaosuudessa mallia testattiin käytännössä. Hierarkian arvoelementtien tärkeysjärjestyksen ja kaikille asiakkaille yhteisten arvoelementtien löytämiseksi käytettiin Analyyttisen hierarkiaprosessin (AHP) menetelmää osana asiakasryh-mähaastatteluita. Haastattelut toteutettiin täsmäryhmähaastatteluina ja haastatel-tavat ryhmät koostuivat haastatteluihin valittujen asiakkaiden kunnossapidon vastuuhenkilöistä. Tutkimustuloksina havaittiin, että asiakaskohtaiset arvoelementit ja niiden tärke-ysjärjestys saadaan mallin avulla esiin, mutta asiakaskohtaiset erot arvon muo-dostumisessa ovat suuria. Asiakasarvoon vaikuttavien taustatekijöiden, ainakin yhteistyösuhteen tason ja vaihdannan kohteena olevien palveluiden tason, havait-tiin selittävän osaltaan eroja asiakkaiden välillä. Lisäksi teollisen kunnossapidon toimintaympäristön dynaaminen luonne, jossa eri osatekijöiden keskinäiset riip-puvuussuhteet muuttuvat koko ajan, olisi kyettävä huomioimaan myös asia-kasarvon muodostumisen arvioinnissa.

Simulation model of wind turbine gearbox and lubrication system

As increasing efficiency of a wind turbine gearbox, more power can be transferred from rotor blades to generator and less power is used to cause wear and heating in the gearbox. By using a simulation model, behavior of the gearbox can be studied before creating expensive prototypes. The objective of the thesis is to model a wind turbine gearbox and its lubrication system to study power losses and heat transfer inside the gearbox and to study the simulation methods of the used software. Software used to create the simulation model is Siemens LMS Imagine.Lab AMESim, which can be used to create one-dimensional mechatronic system simulation models from different fields of engineering. When combining components from different libraries it is possible to create a simulation model, which includes mechanical, thermal and hydraulic models of the gearbox. Results for mechanical, thermal, and hydraulic simulations are presented in the thesis. Due to the large scale of the wind turbine gearbox and the amount of power transmitted, power loss calculations from AMESim software are inaccurate and power losses are modelled as constant efficiency for each gear mesh. Starting values for simulation in thermal and hydraulic simulations were chosen from test measurements and from empirical study as compact and complex design of gearbox prevents accurate test measurements. In further studies to increase the accuracy of the simulation model, components used for power loss calculations needs to be modified and values for unknown variables are needed to be solved through accurate test measurements.

Vibration analysis of a power take-off line

Gear rattle is a phenomenon that occurs when idling or lightly loaded gears collide due to engine’s torque fluctuations. This behaviour is related to vibration behaviour of the transmission system. Aim of this master’s thesis is to evaluate Adams and Adams/Machinery as a simulation tools for modelling the rattle e ect in a transmission system. A case study of tractor’s power take-o driveline, suspected to be prone to rattle, is performed in this work. Modelling methods used by Adams in this type of study are presented in the theory section while simulation model build with the software during this work is presented in the results. The Machinery toolbox is used to create gears and bearings while other model components are created with standard Adams tool set. Geometries and excitations are exported from other softwares. Results were obtained from multiple variations of a base model. These result sets and literature review suggest that Adams/Machinery may not be the most suitable tool for rattle analysis. While the system behaviour was partially captured, for accurate modelling user-written routines must be used which may be more easily performed with other tools. Further research about this topic is required.

Maapallon kestokyvyn rajat on saavutettu : onko aikuiskasvatuksella jotain sanottavaa?

Kuudes pohjoismainen aikuiskasvatustutkimuksen konferenssi teemalla Adult Education and the Planetary Condition pidettiin 25.-28. maaliskuuta Tampereen yliopistossa.