2.3 Tyypillisiä voimansiirron komponentteja
Teknisesti, taloudellisesti ja ekologisesti järkevän kokonaisuuden saavuttamiseksi tulee suunniteltavaan laitteeseen valita sopivat komponentit. Tuntemalla perustiedot tyypillisistä voimansiirron komponenteista voidaan haarukoida täysin epäsopivat komponenttiyhdistelmät pois jo suunnittelun alkuvaiheessa. Näin ollen seuraavaksi tutustutaan moottoreihin, kytkimiin, vaihteistoihin ja jarruihin, jotta myöhemmin muodostettavat teräsveistoksen konseptit ovat lähtökohtaisesti järkeviä.
2.3.1 Moottorit
Moottorilla tarkoitetaan tässä laitetta, jolla tuotetaan energiasta mekaanista liikettä.
Tyypillisesti erilaisissa laitteissa käytetään sähkömoottoreita, hydraulimoottoreita ja polttomoottoreita. Seuraavissa luvuissa keskitytään kuitenkin sähkö- ja hydraulimoottoreihin, koska ne ovat relevantteja tämän tutkimuksen kannalta.
Sähkömoottorit
Sähkömoottori muuntaa sähkövirran pyörimisliikkeeksi. Sähkömoottorit voidaan jakaa yleisesti tasasähkömoottoreihin (DC motor) ja vaihtovirtamoottoreihin (AC motor), joista kummastakin voidaan erottaa edelleen erilaisia moottorityyppejä. Tasasähkömoottorit ovat olleet yleisesti käytössä niiden korkean liikkeellelähtömomentin, tasaisen pyörimisnopeudensäädön sekä nopean suunnanvaihtokyvyn vuoksi. Nykyisin vaihtovirtamoottorit ovat kuitenkin lunastaneet paikkansa teollisuuden yleisimmin käytettynä sähkömoottorina niiden matalan huoltotarpeen, korkean suorituskyvyn ja energiatehokkuuden ansiosta. (Polka D. 2003, s. 69, 90)
Oikosulkumoottori on tyypillisin vaihtovirtamoottori ja samalla yleisin teollisuudessa käytetty sähkömoottori (Polka D. 2003, s.90). Yksinkertaisen rakenteensa ansiosta oikosulkumoottori on huoltovapaa. Lisäksi moottorien saatavuus on hyvä, koska toimittajia on runsaasti saatavilla. (Airila M. et al. 1997, s.726 – 727, 731)
Oikosulkumoottorien pyörimisnopeutta säädetään napaparien lukumäärän valinnalla, jättämäsäädöllä tai taajuussäädöllä. Taajuussäätö taajuusmuuttajalla mahdollistaa laajimmat säätömahdollisuudet ja on näin ollen yleinen oikosulkumoottorien säätömenetelmä. Oikosulkumoottorin pyörimisnopeutta säätäessä tulee kiinnittää huomiota moottorin lämpenemiseen, koska pitkään ryömintänopeudella ajaessa moottori lämpenee voimakkaasti. Toisaalta myös sähkömoottorien hyötysuhde laskee matalilla pyörimisnopeuksilla. (Airila M. et al. 1997, s.726 – 727, 731)
Vaihtovirtamoottorien luokittelussa käytetään joko NEMA (National Electrical Manufacturers Association) tai IEC (International Electrotechnical Comission) ohjeistuksia.
Luokittelu moottorien koon, teknisten ominaisuuksien ja suojauksen osalta perustuu erilaisiin kirjain- ja numerokoodeihin. Euroopassa on yleisesti käytössä IEC-standardit.
(Polka D. 2003, s.115 – 116)
Tasavirtamoottori on väistynyt monissa kohteissa oikosulkumoottorien tieltä. Kehittyneen tasasuuntaustekniikan avulla tasavirtamoottoreita voidaan kuitenkin käyttää myös
24
vaativissa kohteissa. Haittapuolena on kuitenkin hiiliharjojen kuluminen, jonka takia moottori tarvitsee oikosulkumoottoreita enemmän huoltoa. Lisäksi tasavirtamoottoreiden hyötysuhde on 3 – 10 prosenttiyksikköä oikosulkumoottoreita huonompi. (Airila M. et al.
1997, s.729, 731) Hydraulimoottorit
Hydraulinen moottori muuntaa pumpun tuottaman hydraulisen tehon pyörimisliikkeeksi.
Pumpulta tuleva paineenalainen neste ohjataan moottorin sisällä kammioihin, joissa paine muodostaa syrjäytyselimiin voiman. Lopulta paineen muodostama voima saa aikaan moottoria pyörittävän momentin. (Kauranne H. et al. 2013, s.174)
Hydraulisesta moottorista riippuen liike voi olla rajoitettua tai rajoittamatonta. Rajoitetulla liikkeellä tarkoitetaan sitä, että moottorin kiertymä on enintään 360 astetta. Tässä luvussa keskitytään kuitenkin rajoittamattomiin moottoreihin, jotka voidaan edelleen jakaa erilaisiin alaryhmiin rakenteen, käyntinopeuden, säätötavan tai pyörimissuunnan mukaan.
(Kauranne H. et al. 2013, s.173, 208)
Hydraulimoottoreita voidaan jaotella monella tavalla. Rakenteen perusteella hydrauliset moottorit voidaan jakaa hammaspyörä- siipi- ja mäntämoottoreihin. Toisaalta ohjauksen osalta hydraulimoottorit voidaan jakaa vakio- ja säätötilavuusversioihin. Pyörimissuunnan perusteella moottorit voidaan vielä erottaa yksi- tai kaksisuuntaisiin moottoreihin. Oikean moottorin valinnassa on kuitenkin syytä lähteä liikkeelle vaaditusta pyörimisnopeudesta.
Hidaskäyntiset moottorit pyörivät tyypillisesti 1-150 rpm, keskinopeuksiset 10-750 rpm ja nopeakäyntiset 300-5000 rpm. (Kauranne H. et al. 2013, s.173)
Vakiotilavuusmoottoreiden pyörimisnopeus tietyllä tilavuusvirralla on vakio, jolloin pyörimisnopeutta voidaan säätää muuttamalla tilavuusvirtaa esimerkiksi venttiileillä.
Pyörimissuunnan muutokset eivät kuitenkaan ole yleensä mahdollisia.
Säätötilavuusmoottoreissa pyörimisnopeuden muuttaminen tapahtuu puolestaan muuttamalla moottorin kierrostilavuutta. (Kauranne H. et al. 2013, s.173)
2.3.2 Kytkimet
Kytkimellä tarkoitetaan tässä komponenttia, jolla voidaan kytkeä irti pyörivät akselit toisistaan. Käyttökohteesta riippuen kytkimet voidaan luokitella yleisesti joko ulkoisesti ohjattaviin tai itsetoimiviin kytkimiin. Ulkoisesti ohjattavien kytkimien ohjaus voi tapahtua mekaanisesti, sähkömagneettisesti, pneumaattisesti tai hydraulisesti. Itseohjautuvien kytkimien toiminta voi puolestaan perustua esimerkiksi pyörimisnopeuteen, vääntömomenttiin tai pyörimissuuntaan. Itseohjautuvat kytkimet voidaan edelleen luokitella kytkentätapahtuman perusteella työtoimisiksi tai lepotoimisiksi. Työtoimisissa kytkimissä kytkin laukeaa, kun käyttövoima poistetaan, kun taas lepotoiminenkytkin laukeaa tietyllä käyttövoimalla. (Airila M. et al. 1997, s.610)
Sopivan kytkimen valinnassa on otettava huomioon toiminnalliset, konstruktiiviset ja käyttöympäristöön liittyvät vaatimukset. Toiminnallisia vaatimuksia ovat esimerkiksi siirrettävä momentti, momenttisysäykset, pyörimisnopeus, kytkentätaajuus ja kytkimeen
25
kohdistuva lämpörasitus. Lisäksi erityisvaatimuksia voi olla kytkennän pehmeys, pieni toimintaviive tai tyhjäkäyntimomentti. Rakenteellisia vaatimuksia ovat kytkimen koko, asennuskohta ja haluttu ohjaustapa. Käyttöympäristöön liittyviä vaatimuksia puolestaan ovat esimerkiksi valinta märän tai kuivan kytkimen välillä, huoltoväli sekä korjausnäkökohdat, kuten säädön tarve ja helppous. (Airila M. et al. 1997, s.620-621) 2.3.3 Vaihteistot
Vaihteistolla tarkoitetaan tässä laitetta, jolla välitetään pyörivää liikettä kahden akselin välillä tietyllä välityssuhteella. Vaihteiston toimintaperiaate voi perustua hihna- ketju tai hammasvälitykseen. (Uicker J. J. et al. 2011, s.330) Tässä luvussa tutustutaan kuitenkin tarkemmin hammasvaihteisiin.
Hammasvaihteilla välitetään suuria momentteja erilaisten hammaspyörien avulla. Näin ollen hammasvaihteita käytetään usein siinä vaiheessa, kun hihnavälitys alkaa luistamaan.
Hammasvaihteita voidaan käyttää joustavasti yhdensuuntaisten, samansuuntaisten, risteävien tai eri tasolla sijaitsevien akseleiden välissä. (Jindal U. C. 2010, s. 639).
Seuraavaksi käydään läpi tarkemmin yleisesti käytettäviä hammasvaihteita sekä niiden ominaisuuksia.
Yhdensuuntaisten akseleiden tapauksessa käytetään yleisesti lieriöhammasvaihteita.
Lieriöhammasvaiheet ovat yksinkertaisia suunnitella, edullisia valmistaa ja omaavat hyvän hyötysuhteen. Suunnitteluvaatimuksista riippuen lieriöhammasvaihde voidaan suunnitella vinohampaisilla hammaspyörillä, jolloin saavutetaan erityisen suuri momentinsiirtokyky ja käyttönopeus, mutta myös matala melutaso. (Uicker J. J. et al. 2011, s.365)
Risteävien akseleiden tapauksessa käytetään esimerkiksi kartio- tai kierukkavaihdetta.
Oikean vaihteiston lopullinen valinta perustuu kuitenkin vaadittuun käyttönopeuteen, momentinsiirtokykyyn ja hyötysuhteeseen. Tyypillisesti kierukkavaihteella saadaan toisioakselille erittäin hidas pyörimisnopeus ja siten suuri momentti. Kierukkavaihteen hammaspyörien liukuva kontakti laskee kuitenkin hyötysuhdetta. Kartiovaihteilla puolestaan saavutetaan hyvä hyötysuhde ja suuri käyttönopeus. (Uicker J. J. et al. 2011, s.365)
Hammaspyörien ja vipujen avulla voidaan koota mekanismeja, joita hyödynnetään erikoisvaihteissa. Tällaisena erikoisvaihteena voidaan pitää planeettavaihdetta, joka muodostuu ulkopuolisesta rengaspyörästä ja sen sisällä pyörivästä keskuspyörästä.
Keskuspyörässä on kiinni hammaspyöriä, jotka on yhdistetty toisiinsa kuljettimella. Kuljetin toimii vaihteiston käyttöakselina, kun keskuspyörä kiinnitetään laitteen runkoon. Edellä kuvatulla planeettavaihteella saadaan aikaiseksi hyvin suuria välityssuhteita suhteessa vaihteen kokoon. Hyötysuhde on kuitenkin varsin huono. (Airila M. et al. 1997, s.751) 2.3.4 Jarrut
Jarruilla pysäytetään, hidastetaan tai pidetään paikalla liikkuvia osia.
Pysäyttämisprosessissa liikkuvan kohteen liike-energia absorboidaan lämmöksi kitkan avulla. Näin ollen jarruissa keskitytään ominaisuuksiin, joilla lämpöä saadaan johdettua
26
tehokkaasti pois jarrusysteemistä. Usein jarrujen tehoa rajoittaakin ennemmin lämmönsiirtokyky kuin saatava mekaaninen jarrutusteho. Jarruttava kitka saadaan aikaiseksi erilaisilla kitkapinnoilla, joita voidaan liikuttaa mekaanisesti, sähköisesti, pneumaattisesti tai hydraulisesti. (Jindal U. C. 2010, s. 596)
Jarrutustapahtumasta riippuen voidaan valita joko pidätys-, pysäytys-, säätö-, tai kuormitusjarru. Pidätysjarrut estävät nimensä mukaisesti liikkeen toiseen tai molempiin suuntiin. Pidätysjarrun kytkentä tapahtuu usein vasta koneen pysähtymisen jälkeen tai hyvin hitaassa liikkeessä. Pysäytys- tai säätöjarruilla puolestaan voidaan hidastaa liikkuvaa kohdetta pysähtymiseen tai haluttuun nopeuteen. Kuormitusjarrut taas ovat käytössä erilaisissa kuormituskokeissa. Seuraavaksi käydään tarkemmin läpi yleisiä jarrutyyppejä, joita ovat levy-, kenkä- ja vannejarrut. (Airila M. et al. 1997, s.628-629)
Levyjarruja on yleisesti käytössä teollisuuden laitteissa ja ajoneuvoissa. Levyjarrun toiminta perustuu runkoon kiinnitettävään levyyn, jota vasten painetaan erilaisia kitkapintoja.
Esimerkiksi sähkömoottorien yhteyteen sijoitettavassa sähkömagneettisessa levyjarrussa sähkövirran katkaisu vapauttaa jarrulevyn, joka painautuu jousivoiman avulla runkoon kiinnitettyä levyä vasten. Toinen yleisesti käytetty levyjarrutyyppi on osalevyjarru, jossa jarrupalat painetaan molemmin puolin pyörivää levyä vasten. (Airila M. et al. 1997, s.629) Osalevyjarrulla saadaan aikaiseksi erittäin suuri jarruteho. Jarrutustehoon voidaan vaikuttaa yksinkertaisesti muuttamalla jarrulevyn kokoa tai kitkapintojen lukumäärää.
Jarrutusteho kasvaa suurentamalla jarrulevyn halkaisijaa tai lisäämällä jarrupalojen lukumäärää. (Airila M. et al. 1997, s.629)
Kenkä- eli rumpujarrussa jarrukenkiä painettaan pyörivää jarrurumpua vasten sisä- tai ulkopuolelta. Molemmissa rumpujarrutyypeissä kengät on tyypillisesti kiinnitetty laitteen runkoon, josta niitä liikutetaan erilaisilla vipu- ja nivelmekanismeilla. (Airila M. et al. 1997, s.630-632) Kenkäjarruilla saadaan suuri jarrutusteho pienellä voimalla, joten niitä käytetään laajasti teollisuudessa ja ajoneuvojen jarruina. (Jindal U. C. 2010, s. 620)
Vannejarru muodostuu runkoon kiinnitettävästä pyörivästä rummusta ja sen ympärille asetetusta kitkapintaisesta vanteesta. Jarrutus tapahtuu kiristämällä vannetta erilaisilla vipukonstruktioilla. (Airila M. et al. 1997, s.630-632) Vannejarrulla saadaan aikaiseksi suuri jarrutusteho pienellä voimalla, mutta jarrutus voidaan tehdä vain yhteen pyörimissuuntaan.
Vannejarruja käytetään esimerkiksi hätäjarruina. (Jindal U. C. 2010, s. 620) 2.3.5 Sähkö- ja hydraulijärjestelmän vertailu
Yhdistelemällä erilaisia komponentteja saadaan muodostettua järjestelmiä eri käyttötarkoituksiin. Kullakin järjestelmän komponentilla on kuitenkin omat edut ja haitat, jotka heijastuvat koko järjestelmän ominaisuuksiin. Näin ollen on mielekästä vertailla yleisellä tasolla sähköistä ja hydraulista järjestelmää, joita voidaan käyttää vastaavissa käyttökohteissa.
Hydraulijärjestelmien etu on niiden suunnittelun vapaus ja komponenttien hyvät teho-painosuhteet. Teho siirretään letkuja pitkin, jolloin komponentit voidaan sijoittaa
27
joustavasti rakenteisiin. Toisaalta komponentit ovat pienikokoisia ja niillä saadaan aikaiseksi suuria voimia ja momentteja. Lisäksi ylikuormitustilanteet eivät ole kriittisiä, koska toimilaitteita voidaan kuormittaa pysähdykseen asti. (Kauranne H. et al. 2013, s.1-3, Airila M. et al. 1997, s.692)
Hydraulijärjestelmän haittapuolena voidaan kuitenkin nähdä pitkien letkujen osalta kasvavat siirtohäviöt, jolloin järjestelmän kokonaishyötysuhde laskee. Lisäksi väliaineena käytetyn nesteen ominaisuudet ovat lämpötilasta riippuvia. Tämän lisäksi nestekierron korkea paine luo säännöllisen tarpeen huollolle, jotta estetään esimerkiksi vuodot.
Öljyvuodot voivat olla turvallisuus- ja ympäristöriski. (Kauranne H. et al. 2013, s.1-3, Airila M. et al. 1997, s.692)
Sähköjärjestelmillä saavutetaan korkea hyötysuhde ja erittäin hyvä rakenteellinen muunneltavuus. Toimilaitteet voidaan sijoittaa vapaasti, koska sähkövirta kulkee joustavasti sähköjohtoja pitkin. Sähköjohdoissa kulkeva sähkövirta ei myöskään ole altis ympäristön muutoksille, kuten lämpötilaeroille. Tämän lisäksi sähköjärjestelmien ohjaaminen on yksinkertaista ja komponenttien määrä on vähäinen, koska ei tarvita esimerkiksi erillistä hydraulikoneikkoa käyttöpaineen luomiseksi. Toisaalta sähkökomponenteissa on yleisesti ottaen huono teho-painosuhde. Johtojen rikkoontuessa myös turvallisuusriski kasvaa sähköiskujen osalta. (Kauranne H. et al. 2013, s.1-3, Polka D. 2003, s. 69, 90)