Conceptualization of the electric transmission clutch
Kaasinen, Juho (2023)
Diplomityö
2023
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20231128149611
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20231128149611
Tiivistelmä
The purpose of the thesis is to investigate and compare different clutch solutions for use in electric tractor power transmission for changing gears. The clutches to be compared are different types of friction and dog clutches.
At the first part of thesis is based on studying function of different clutch types and how they are used in respective applications. In the later parts of thesis focuses on dimensioning and comparing different clutch types for this specific application. Dimensioning is based on optimizing performance of the clutch with considering space requirements. Dimensioning of the friction clutches is based on thermal management and dimensioning of the dog clutches is based on kinematics. In addition to performance and space requirements, reliability and manufacturing costs are also considered in the comparison.
Results indicates that several different clutch solutions are suitable for changing the gears of the electric drivetrain. In particular, the square tooth dog clutch and multiplate clutches are suitable for use in the application. The advantage of square tooth dog clutches over multiplate clutches is their good efficiency, non-existent thermal behaviour, and the ability to stay engaged without the constant need for external force. The advantage of multiplate clutches can be considered the ease of connection and the ability to operate without synchronization of the rotation speed of the electric machine. With dry multiplate clutches, engagements can be made the quickest and with less external force than wet multiplate clutches, but they suffer especially from poor cooling power, which requires longer cooling times between engagements. Työn tarkoituksena on tutkia ja vertailla erilaisia kytkinratkaisuja käytettäväksi sähköisen traktorin voimansiirrossa vaihteiden vaihtamiseen. Vertailtavat kytkimet ovat eri kitka- ja hammaskytkintyyppejä.
Työn alkuosassa perehdytään eri kytkimien toimintaperiaatteisiin ja miten niitä käytetään vastaavissa sovelluskohteissa. Jälkiosa työstä keskittyy mitoittamaan ja vertailemaan erilaisia kytkinvaihtoehtoja sovelluskohteeseen. Mitoitus perustuu kytkimen suorituskyvyn optimointiin vaadittuun tilaan. Kitkakytkimien mitoitus perustuu lämmönhallintaan ja hammaskytkinten kinematiikkaan. Vertailussa otetaan suorituskyvyn ja tilantarpeen lisäksi huomioon myös luotettavuus ja valmistuskustannukset.
Työn tuloksista on huomattavissa usean erilaisen kytkinratkaisun soveltuvan traktorin sähköisen voimansiirron vaihteiden vaihtamiseen. Erityisesti suoraseinäinen hammaskytkin sekä monilevykytkimet soveltuvat käytettäväksi sovelluskohteessa. Hammaskytkinten etuna monilevykytkimiin verrattuna voidaan pitää niiden hyvää hyötysuhdetta, olematonta lämpökäyttäytymistä sekä kykyä pysyä kytkettynä ilman jatkuvaa tarvetta ulkoiselle voimalle. Monilevykytkimien etuna voidaan pitää kytkennän helppoutta ja kykyä toimia ilman sähkökoneen pyörimisnopeuden tasausta. Kuivilla monilevykytkimillä voidaan toteuttaa vaihdot nopeimmin ja märkiä kytkimiä pienemmillä voimilla, mutta ne kärsivät erityisesti huonosta jäähdytystehosta, joka vaatii pidempiä jäähdytysaikoja kytkentöjen välissä.
At the first part of thesis is based on studying function of different clutch types and how they are used in respective applications. In the later parts of thesis focuses on dimensioning and comparing different clutch types for this specific application. Dimensioning is based on optimizing performance of the clutch with considering space requirements. Dimensioning of the friction clutches is based on thermal management and dimensioning of the dog clutches is based on kinematics. In addition to performance and space requirements, reliability and manufacturing costs are also considered in the comparison.
Results indicates that several different clutch solutions are suitable for changing the gears of the electric drivetrain. In particular, the square tooth dog clutch and multiplate clutches are suitable for use in the application. The advantage of square tooth dog clutches over multiplate clutches is their good efficiency, non-existent thermal behaviour, and the ability to stay engaged without the constant need for external force. The advantage of multiplate clutches can be considered the ease of connection and the ability to operate without synchronization of the rotation speed of the electric machine. With dry multiplate clutches, engagements can be made the quickest and with less external force than wet multiplate clutches, but they suffer especially from poor cooling power, which requires longer cooling times between engagements.
Työn alkuosassa perehdytään eri kytkimien toimintaperiaatteisiin ja miten niitä käytetään vastaavissa sovelluskohteissa. Jälkiosa työstä keskittyy mitoittamaan ja vertailemaan erilaisia kytkinvaihtoehtoja sovelluskohteeseen. Mitoitus perustuu kytkimen suorituskyvyn optimointiin vaadittuun tilaan. Kitkakytkimien mitoitus perustuu lämmönhallintaan ja hammaskytkinten kinematiikkaan. Vertailussa otetaan suorituskyvyn ja tilantarpeen lisäksi huomioon myös luotettavuus ja valmistuskustannukset.
Työn tuloksista on huomattavissa usean erilaisen kytkinratkaisun soveltuvan traktorin sähköisen voimansiirron vaihteiden vaihtamiseen. Erityisesti suoraseinäinen hammaskytkin sekä monilevykytkimet soveltuvat käytettäväksi sovelluskohteessa. Hammaskytkinten etuna monilevykytkimiin verrattuna voidaan pitää niiden hyvää hyötysuhdetta, olematonta lämpökäyttäytymistä sekä kykyä pysyä kytkettynä ilman jatkuvaa tarvetta ulkoiselle voimalle. Monilevykytkimien etuna voidaan pitää kytkennän helppoutta ja kykyä toimia ilman sähkökoneen pyörimisnopeuden tasausta. Kuivilla monilevykytkimillä voidaan toteuttaa vaihdot nopeimmin ja märkiä kytkimiä pienemmillä voimilla, mutta ne kärsivät erityisesti huonosta jäähdytystehosta, joka vaatii pidempiä jäähdytysaikoja kytkentöjen välissä.