Cardan Gear Mechanism versus Slider-Crank Mechanism in Pumps and Engines

In machine design we always want to save space, save energy and produce as much power as possible. We can often reduce accelerations, inertial loads and energy consumption by changing construction. In this study the old cardan gear mechanism (hypocycloid mechanism) has been compared with the conventional slider-crank mechanism in air pumps and four-stroke engines. Comprehensive Newtonian dynamics has been derived for the both mechanisms. First the slidercrank and the cardan gear machines have been studied as lossless systems. Then the friction losses have been added to the calculations. The calculation results show that the cardan gear machines can be more efficient than the slider-crank machines. The smooth running, low mass inertia, high pressures and small frictional power losses make the cardan gear machines clearly better than the slider-crank machines. The dynamic tooth loads of the original cardan gear construction do not rise very high when the tooth clearances are kept tight. On the other hand the half-size crank length causes high bearing forces in the cardan gear machines. The friction losses of the cardan gear machines are generally quite small. The mechanical efficiencies are much higher in the cardan gear machines than in the slider-crank machines in normal use. Crankshaft torques and power needs are smaller in the cardan gear air pumps than in the equal slider-crank air pumps. The mean crankshaft torque and the mean output power are higher in the cardan gear four-stroke engines than in the slider-crank four-stroke engines in normal use. The cardan gear mechanism is at its best, when we want to build a pump or an engine with a long connecting rod (≈ 5⋅crank length) and a thin piston (≈ 1.5⋅crank length) rotating at high angular velocity and intermittently high angular acceleration. The cardan gear machines can be designed also as slide constructions without gears. Suitable applications of the cardan gear machines are three-cylinder half-radial engines for motorcycles, sixcylinder radial engines for airplanes and six-cylinder double half-radial engines for sport cars. The applied equations of Newtonian dynamics, comparative calculations, calculation results (tables, curves and surface plots) and recommendations presented in this study hold novelty value and are unpublished before. They have been made and written by the author first time in this study.

Fishing in Finland

kuv., 10 x 22 cm

Hydraulimoottorilla toteutetun kääntölaitteen kehittäminen

Tässä diplomityössä suunnitellaan paralleelityyppisen harvesterinosturin kääntölaite, missä toimilaitteena käytetään hydraulimoottoria. Konevalmistajista riippuman nosturivalmistajan tarpeet huomioiden selvitetään suurelle harvesterinosturille soveltuvat kääntölaiterakenteet, joista etsitään perustelluilla valinnoilla paras. Valitusta rakenteesta kehitetään kääntö-jalustakokonaisuus, johon suunnitellaan pylväs, kallistusrunko ja suojat sekä valitaan tarvittavat käyttökomponentit. Suunnitellun konstruktion ominaisuuksia ja kustannuksia verrataan tuotannossa olevaan sylinteritekniikalla toteutettuun kääntölaitteeseen.

Mekatronisen portaattomasti säädettävän ajoneuvotehonsiirtokoneiston suunnittelu ja simulointi

Työn tarkoituksena on tutkia tehonsiirron ratkaisuja, jotka mahdollistavat jatkuvanopeus ja -momentinsäädön. Työ on rajattu käsittämään kahta eri planeettavaihdetuotetta. Tutkimuksen kohteena ovat valittujen vaihdetuotteiden planeettapyörästöjen eri kytkentämahdollisuudet ja niiden vaikutus toisiinsa. Vaihteiden teknistä toteutusta ja toimivuutta tarkastellaan fyysisten testien, simuloinnin sekä analyyttisen laskennan avulla. Apuna työssä on käytetty Dymola simulointiohjelmaa, jossa kinemaattisten kuvakeliitäntöjen avulla on rakennettu virtuaalimalli tarkastellusta tuotteesta ja sen toiminnasta. Tietokoneen avulla luotua dynaamista simulointimallia on muokattu tutkimuksen edistyessä differentiaalisesti jatkuvasäätöisen momentinmuuntimen aikaan saamiseksi. Tuotteissa on käytetty aurinkopyörällisiä ja aurinkopyörättömiä planeettapyörästöjä. Ensimmäisessä tutkittavassa tuotteessa on kolme planeettapyörästöä ja toisessa kaksi. Teholähteeksi käy polttomoottori tai sähkömoottori. Välitys- ja pyörimissuhteiden muuntoon vaikuttaa planeettavaihteistoon kytketty sähkömoottori, jonka toimintaa voidaan ohjata erikseen. Työssä on selvitetty, millaisia kulmanopeuksia ja momentteja eri ajanhetkellä ja eri pisteissä simulointimallia esiintyy.Lisäksi selvitetään vaihteistojen portaattoman välityssuhteen muuntomahdollisuudet. Tarkoituksena on saada realistista informaatiota tutkittavien laitteiden toiminnasta. Johtavana ajatuksena on modernien menetelmien käyttäminen uusien innovaatioiden toimivuuden ja äärikohtien tutkimiseksi.

Permanent magnet synchronous motor for industrial inverter applications - analysis and design

During the latest few years the need for new motor types has grown, since both high efficiency and an accurate dynamic performance are demanded in industrial applications. For this reason, new effective control systems such as direct torque control (DTC) have been developed. Permanent magnet synchronous motors (PMSM) are well suitable for new adjustable speed AC inverter drives, because their efficiency and power factor are not depending on the pole pair number and speed to the same extent as it is the case in induction motors. Therefore, an induction motor (IM) with a mechanical gearbox can often be replaced with a direct PM motor drive. Space as well as costs will be saved, because the efficiency increases and the cost of maintenance decreases as well. This thesis deals with design criterion, analytical calculation and analysis of the permanent magnet synchronous motor for both sinusoidal air-gap flux density and rectangular air-gapflux density. It is examined how the air-gap flux, flux densities, inductances and torque can be estimated analytically for salient pole and non-salient pole motors. It has been sought by means of analytical calculations for the ultimate construction for machines rotating at relative low 300 rpm to 600 rpm speeds, which are suitable speeds e.g. in Pulp&Paper industry. The calculations are verified by using Finite Element calculations and by measuring of prototype motor. The prototype motor is a 45 kW, 600 rpm PMSM with buried V-magnets, which is a very appropriate construction for high torque motors with a high performance. With the purposebuilt prototype machine it is possible not only to verify the analytical calculations but also to show whether the 600 rpm PMSM can replace the 1500 rpm IM with a gear. It can also be tested if the outer dimensions of the PMSM may be the same as for the IM and if the PMSM in this case can produce a 2.5 fold torque, in consequence of which it may be possible to achieve the same power. The thesis also considers the question how to design a permanent magnet synchronous motor for relatively low speed applications that require a high motor torqueand efficiency as well as bearable costs of permanent magnet materials. It is shown how a selection of different parameters affects the motor properties. Key words: Permanent magnet synchronous motor, PMSM, surface magnets, buried magnets

Nosturivaihteiden kunnonvalvontajärjestelmän kehittäminen värähtelymittauksia käyttäen

Työssä selvitettiin värähtelymittauksien käyttömahdollisuuksia nosturivaihteiden ennakoivassa kunnonvalvonnassa. Työ on painottunut lähinnä värähtelymittausten mittaus- ja analyysiteknisten näkökohtien tarkasteluun ja toimii niiltä osin al-kuselvityksenä värähtelymittauspohjaisen kunnonvalvontajärjestelmän luomiselle. Kirjallisuuden mukaan yleisimpiä ja käyttökelpoisimpia värähtelyanalyysejä vaihteistojen kunnonvalvonnassa ovat spektri-, kepstri-, ja demodulointitekniik-kaan perustuvat analyysit, joita kokeiltiin vauriokokeilla. Työssä käsitellään myös iskusysäysmenetelmää ja aikatason tunnuslukuja. Vauriokokeilla saatiin tietoa hammasvaurioiden havaitsemisesta värähtelymittauksilla, mutta laakerivaurioista kaivataan sen sijaan vielä lisää tietoa. Hammasvaurioiden tarkastelussa spektri-analyysin ohella PeakVue -analyysi osoittautui tehokkaaksi, kun siinä käytettiin sopivaa suodatusaluetta. Lisäksi työhön on koottu kokemuksia nosturivaihteiden käytännön värähtelymittauksista ja annettu ohjeita niiden suorittamisesta. Työn tulokset osoittavat, että värähtelymittauspohjaisella kunnonvalvontajärjes-telmällä voidaan parantaa nostovaihteiden ennakoivaa kunnonvalvontaa. Nosto-vaihteiden värähtelymittauksia kannattaa siis ehdottomasti jatkaa ja kunnonval-vontajärjestelmää edelleen kehittää. Siirtovaihteiden valvonta värähtelymittauksilla on sen sijaan hankalaa niiden epävakaan kuormitustilan vuoksi.

Toimittajavalinta strategiselle komponentille akselistotehtaassa

Diplomityön tavoitteena oli löytää uusi kaarevahampaisten kartiopyörien toimittaja tulevaisuuden tuoteperheelle Sisu Akselit Oy:ssä. Kirjallisuustutkimuksen osuudessa perehdyttiin toimittajanvalintaprosessin eri osa-alueisiin. Käsiteltäviä alueita olivat mm. markkinatekijät, toimittajasuhteen ominaisuudet ja valintaprosessin työvaiheet sekä muutamat prosessin työkalut. Soveltavan osan alussa muodostettiin malli valintaprosessin läpiviemiseksi. Malli koostuu viidestä vaiheesta, joista ensimmäiset neljä toteutettiin diplomityön puitteista. Ensimmäinen vaihe sisältää yrityksen sisäisen analyysin, toinen toimittajamarkkinoiden tutkimuksen yrityksen ulkopuolella, kolmas hankinnan strategiavaihtoehtojen määrittämisen ja neljäs valintojen tekemisen. Viidennessä vaiheessa sovitaan toimituksen yksityiskohdista ja aloitetaan toimitukset. Työn tuloksena saatiin määritettyä toimittajasuhdestrategia Sisu Akselit Oy:n kaarevahampaisten kartiopyörien hankinnalle uudella tuoteperheellä. Valittuun suhdestrategiaan rajattiin suuresta joukosta kolme parhaiten sopivaa potentiaalista toimittajaa. Markkinoilla olevien valmistajien toiminnan tehokkuudessa havaittiin suuria eroja. Näin valintojen tuloksena arvioidaan saavutettavan kustannussäästöjä nykytilaan verrattuna. Työn sivutuotteena syntyi strategisen komponentin toimittajavalintamalli, jota voitaneen yrityksessä soveltaa jatkossakin.

Phylogeography and population genetics of north European Atlantic salmon (Salmo salar L.)

Although abundant in the number of individuals, the Atlantic salmon may be considered as a threatened species in many areas of its native distribution range. Human activities such as building of power plant dams, offshore overfishing, pollution, clearing of riverbeds for timber floating and badly designed stocking regimes have diminished the distribution of Atlantic salmon. As a result of this, many of the historical populations both in Europe and northern America have gone extinct or are severely depressed. In fact, only 1% of Atlantic salmon existing today are of natural origin, the rest being farmed salmon. All of this has lead to a vast amount of research and many restoration programmes aiming to bring Atlantic salmon back to rivers from where it has vanished. However, many of the restoration programmes conducted thus far have been unsuccessful due to inadequate scientific research or lack of its implementation, highlighting the fact that more research is needed to fully understand the biology of this complex species. The White and Barents Seas in northwest Russia are among the last regions in Europe where Atlantic salmon populations are still stable, thus forming an important source of biodiversity for the entire European region. Salmon stocks from this area are also of immense economic and social importance for the local people in the form of fishing tourism. The main aim of this thesis was to elucidate the post-glacial history and population genetic structure of north European and particularly northwest Russian Atlantic salmon, both of which are aspects of great importance for the management and conservation of the species. Throughout the whole thesis, these populations were studied by utilizing microsatellites as the main molecular tool. One of the most important discoveries of the thesis was the division of Atlantic salmon from the White and Barents Seas into four separate clusters, which has not been observed in previous studies employing nuclear markers although is supported by mtDNA studies. Populations from the western Barents Sea clustered together with the northeast Atlantic populations into a clearly distinguishable group while populations from the White Sea and eastern Barents Sea were separated into three additional groups. This has important conservation implications as this thesis clearly indicates that conservation of populations from all of the observed clusters is warranted in order to conserve as much of the genetic diversity as possible in this area. The thesis also demonstrates how differences in population life histories within a species, migratory behaviour in this case, and in their phylogeographic origin affect the genetic characteristics of populations, namely diversity and divergence levels. The anadromous populations from the Atlantic Ocean, White Sea and Barents Sea possessed higher levels of genetic diversity than the anadromous populations form the Baltic Sea basin. Among the non-anadromous populations the result was the opposite: the Baltic freshwater populations were more variable. This emphasises the importance of taking the life history of a population into consideration when developing conservation strategies: due to the limited possibilities for new genetic diversity to be generated via gene flow, it is expected that freshwater Atlantic salmon populations would be more vulnerable to extinction following a population crash and thus deserve a high conservation status. In the last chapter of this thesis immune relevant marker loci were developed and screened for signatures of natural selection along with loci linked to genes with other functions or no function at all. Also, a novel landscape genomics method, which combines environmental information with molecular data, was employed to investigate whether immune relevant markers displayed significant correlations to various environmental variables more frequently than other loci. Indications of stronger selection pressure among immune-relevant loci compared to non-immune relevant EST-linked loci was found but further studies are needed to evaluate whether it is a common phenomenon in Atlantic salmon.

Nutrient enrichment and water depth modify consumer control in rocky shore macroalgal communities

The objective of my thesis is to assess mechanisms of ecological community control in macroalgal communities in the Baltic Sea. In the top-down model, predatory fish feed on invertebrate mesograzers, releasing algae partly from grazing pressure. Such a reciprocal relationship is called trophic cascade. In the bottom-up model, nutrients increase biomass in the food chain. The nutrients are first assimilated by algae and, via food chain, increase also abundance of grazers and predators. Previous studies on oceanic shores have described these two regulative mechanisms in the grazer - alga link, but how they interact in the trophic cascades from fish to algae is still inadequately known. Because the top-down and bottom-up mechanisms are predicted to depend on environmental disturbances, such as wave stress and light, I have studied these models at two distinct water depths. There are five factorial field experiments behind the thesis, which were all conducted in the Finnish Archipelago Sea. In all the experiments, I studied macroalgal colonization - either density, filament length or biomass - on submerged colonization substrates. By excluding predatory fish and mesograzers from the algal communities, the studies compared the strength of the top-down control to natural algal communities. A part of the experimental units were, in addition, exposed to enriched nitrogen and phosphorus concentrations, which enabled testing of bottom-up control. These two models of community control were further investigated in shallow (<1 m) and deep (ca. 3 m) water. Moreover, the control mechanisms were also expected to depend on grazer species. Therefore different grazer species were enclosed into experimental units and their impacts on macroalgal communities were followed specifically. The community control in the Baltic rocky shores was found to follow theoretical predictions, which have not been confirmed by field studies before. Predatory fish limited grazing impact, which was seen as denser algal communities and longer algal filaments. Nutrient enrichment increased density and filament length of annual algae and, thus, changed the species composition of the algal community. The perennial alga Fucus vesiculosusA and the red alga Ceramium tenuicorne suffered from the increased nutrient availabilities. The enriched nutrient conditions led to denser grazer fauna, thereby causing strong top-down control over both the annual and perennial macroalgae. The strength of the top-down control seemed to depend on the density and diversity of grazers and predators as well as on the species composition of macroalgal assemblages. The nutrient enrichment led to, however, weaker limiting impact of predatory fish on grazer fauna, because fish stocks did not respond as quickly to enhanced resources in the environment as the invertebrate fauna. According to environmental stress model, environmental disturbances weaken the top-down control. For example, on a wave-exposed shore, wave stress causes more stress to animals close to the surface than deeper on the shore. Mesograzers were efficient consumers at both the depths, while predation by fish was weaker in shallow water. Thus, the results supported the environmental stress model, which predicts that environmental disturbance affects stronger the higher a species is in the food chain. This thesis assessed the mechanisms of community control in three-level food chains and did not take into account higher predators. Such predators in the Baltic Sea are, for example, cormorant, seals, white-tailed sea eagle, cod and salmon. All these predatory species were recently or are currently under intensive fishing, hunting and persecution, and their stocks have only recently increased in the region. Therefore, it is possible that future densities of top predators may yet alter the strengths of the controlling mechanisms in the Baltic littoral zone.

Pölynhallintamenetelmät rakentamisessa - tekninen toteutus ja menetelmien tehokkuus

Rakennustyömaa on yksi vaarallisimpia ja työolosuhteiltaan haastavimpia työpaikkoja. Sisävalmistusvaiheessa ongelmaksi muodostuu töiden tuottama pöly ja melu. Työmaan epäjärjestys ja likaisuus lisäävät tapaturmariskiä. Pölytöntä rakennustyömaata ei ole olemassa ja tästä syystä pölynhallinta muodostuu merkittäväksi tekijäksi pölyn leviämisen rajoittamisessa. Työn tavoitteena oli tutkia teknisiä pölynhallintakeinoja, joilla voidaan vähentää henkilökohtaisen suojauksen tarvetta rakennustyömailla. Pölynhallintaan työmailla voidaan vaikuttaa työtapojen ja -menetelmien valinnalla, töiden vaiheistuksella, kohdepoistoilla, osastoinnilla ja alipaineistuksella. Työssä oli tarkoitus myös verrata ja tutkia erilaisten ja eri työvaiheisiin tarkoitettujen pölynhallintalaitteistojen toimintaa ja niiden toimivuutta pölynhallinnassa. Tämä tutkimus toteutettiin Savocon Oy:n Kuopioon rakennettavan Turontähden rakennustyömaalla huhti- ja toukokuussa 2008. Tutkimusten perusteella tekniset pölynhallintakeinot toimivat kohtalaisen hyvin. Hiomalaitteissa pölynhallinta on tekninen ominaisuus, mutta sen toimivuus riippuu myös siitä, osaako työntekijä hyödyntää pölynhallintaa oikealla tavalla. Toimintaan vaikuttaa se, osaavatko laitteen käyttäjät asettaa imutehon sellaiseksi, että se on riittävän suuri poistamaan pölyn, mutta ei liian suuri haitatakseen työntekoa ja saaden aikaan heikkoa työnjälkeä. Oikeat laiteasetukset opitaan kokeilemalla. Imutehon säätömahdollisuus on erilaisten pintatasoitteiden myötä erityisen tärkeä laiteominaisuus. Timanttihiomalaitteilla saavutetut pölynpoistotehokkuudet olivat kaikki yli 97 prosenttia, kun niiden tehoa verrattiin ilman pölynpoistoa tapahtuvaan timanttihiontaan. Timanttihiontaa ei suositella tehtäväksi ilman pölynpoistotekniikkaa, sillä pölyntuotto on suurta ja pölypitoisuudet nousevat nopeasti hyvin suuriksi ja työntekijöiden altistus pölylle kasvaa. Ilmanpuhdistimien tehot riittivät pienen tilan ilman puhdistamiseen, mutta suurissa tiloissa ja suurissa pitoisuuksissa teho jäi riittämättömäksi. Oikein mitoitettuina ilmanpuhdistimia voidaan suositella kohdepoistolla toimivien laitteiden lisäksi huonetilaan puhdistamaan vähäiset hiukkaspäästöt, joita laitteista tulee. Teollisuusimurien valinnassa huomio tulee kiinnittää moottorin imutehoon, moottorin jäähdytyksen järjestelyyn, pölypussin materiaaliin ja pölypussin tyhjennysmekanismiin. Näillä on suuri merkitys siivoustyön pölyttömämpään lopputulokseen. Tämän työn käyttö markkinointitarkoituksessa ilman tekijän lupaa on kielletty.

Teollisuusvaihteen kokoonpanoprosessin laadun parantaminen

Paperikoneen telalle integroitujen mekaanisten käyttölaitteiden valmistuksen siirtoprojektin yhteydessä on raportoitu huomattavan paljon valmistuksen aikaisia poikkeamia. Poikkeamien juurisyyn hahmottamiseksi tehtiin kvantitatiivinen analyysi raportoiduista poikkeamista ja kvalitatiivinen analyysi kokoonpanon nykytilasta. Kokoonpanotyöstä suuri osa on tällä hetkellä arvoa jalostamatonta työtä. Tutkimuksessa havaittiin valmistusprosessissa kaikkia kokoonpanon poikkeamien perustyyppejä ja näitä poikkeamia olivat aiheuttaneet kaikki mahdolliset aiheuttajat. Etenkin hankittavien osien laatua tulisi käsitellä poikkeamien aiheuttamien kokonaiskustannusten kautta. Kokoonpanon tarvitsema tieto on olemassa täsmällisessä muodossa, mutta sen luoksepäästävyys on huono. Prosessin kuvauksella, hiljaisen tiedon kirjaamisella ja täsmällisen tiedon julkistamisella voidaan parantaa tuotannon laatua tuotetuntemuksen parantuessa. Käyttökohteen tunteminen parantaa vaatimusten ymmärtämistä. Tutkimuksessa havaittujen poikkeamien analysoinnin perusteella erityistä huomiota tulisi kiinnittää tarkastusvaiheiden olemassa oloon, sijoitukseen ja niiden laatuun. Suuri osa poikkeamista oli edennyt kokoonpanoon jonkin tarkastusvaiheen läpi. Tarkastusvaiheiden laatutason tulee parantua, jotta moninkertaisesta tarkastuksesta voidaan luopua.

Vähempiarvoisen kalan käsittelyketjut ja hiilijalanjälki

The condition of Baltic Sea has weakened considerably because of eutrophication which has caused massive increase of devalued fish. The condition of Baltic Sea can be helped by fishing these fish. This study handles three different ways to approach those fish utilizations and counts carbon footprint for those three chains. Environmental point of views are also examined. There are three different fish processing chains. Every processing chain begins with fishing the fish in Baltic Sea. After that the fishes are prepared by crushing and some formic acid is added to ensure preservation. In the first processing chain the fishes are processed as biodiesel. The waste from the biodiesel process is taken to the anaerobic digestion and the forming methane is used as energy. In the second chain the fishes are taken straight to the anaerobic digestion after preparing. In the third chain, the fish will be first prepared and then taken to fur farms as forage. The carbon footprint has been calculated for 1000 kg fish. The carbon footprint in the first chain is 164-178 kg CO2e, in the second chain 313 – 333 kg CO2e and in the third chain 363 kg CO2e. In the processing chains the bioenergy is produced from the biodiesel, anaerobic digestion and from the glycerol, which is by-product of the biodiesel. The energy produced from the biodiesel is so-called emission neutral, which is not taken into account when calculating emissions. The energy is used to compensate the emissions caused by fossil fuels. The PAS 2050 was used to calculate the carbon footprint. Only carbon dioxide and methane were used when calculating the carbon footprint.

Physical Realization of an Optical Automatic Target Recognition System

In the modern warfare there is an active development of a new trend connected with a robotic warfare. One of the critical elements of robotics warfare systems is an automatic target recognition system, allowing to recognize objects, based on the data received from sensors. This work considers aspects of optical realization of such a system by means of NIR target scanning at fixed wavelengths. An algorithm was designed, an experimental setup was built and samples of various modern gear and apparel materials were tested. For pattern testing the samples of actively arm engaged armies camouflages were chosen. Tests were performed both in clear atmosphere and in the artificial extremely humid and hot atmosphere to simulate field conditions.

Kylmätilojen kuljetinkäyttöjen energiatehokkuus

We study how conveyor drives in refrigerating rooms affect total energy costs. Studied conveyor drives are different types of gear motor drives. Energy efficiencies of the conveyor drives are determined by using direct torque measurement and energy costs of the conveyor drives are approximated from these results. From the measurement results and the approximated total costs it can be seen how the energy efficiency of a conveyor drive has a considerable influence on the total costs, especially, with large operating hours. An energy efficient conveyor drive can minimize the total energy costs by reducing the energy consumption of the conveyor motor while cooling costs in refrigerated rooms are also reduced.

Vibration free machining tools

Appearance of the vibration is the very important problem in long tool turning and milling. Current solutions of minimizing vibrations provided by different tool suppliers are very expensive. This Master’s Thesis is presenting the new type of vibration free machining tools produced by Konepaja ASTEX Gear Oy that have cheaper production costs compare to competitors’ products. Vibration problems in machining and their today’s solutions are analyzed in this work. The new vibration damping invention is presented and described. Moreover, the production, laboratory experimental modal analysis and practical testing of the new vibration free prototypes are observed and analyzed on the pages of this Thesis. Based on the testing results the new invention is acknowledged to be successful and approved for further studies and developments.