Tutkimus traktorin sähköisen etuakselin konstruktioista ja eduista

Abstract

Nykyisten työkoneita koskevien päästömääräyksien tiukentuminen korostaa hybridijärjestelmien tutkimustarvetta, jossa osa traktorin tehontarpeesta tuotettaisiin sähkömoottorilla. Voidaan olettaa että tulevaisuudessa päästömääräykset ottavat kantaa myös polttoainetalouteen, jolloin mielenkiinto hybridijärjestelmiin kasvaa. Nykyiset akkuteknologiat rajoittavat vielä liiaksi toimintasädettä täyssähköisessä työkonekäytössä, koska ajotilanteet ovat niin kuormittavia. Traktorin hybridisointiin on useita vaihtoehtoja, joista yksi mahdollinen ratkaisumalli on etuakselin sähköistäminen. Tutkimuksen tavoitteena on selvittää etuakselin sähköistyksen eri konstruktiovaihtoehtoja ja perustella niistä saatavia hyötyjä. Työ rajattiin koskemaan pelkästään etuakselin rakennetta. Tutkimuksen ulkopuolelle jäivät generaattori, energiavarastot sekä moottorin säätöjärjestelmät. Työ toteutettiin sekä kehittämistutkimuksena että toimintatutkimuksena, jossa käytettiin kvantitatiivista tutkimusotetta etujen vertailussa. Konstruktioista saatavia hyötyjä ei laitettu paremmuusjärjestykseen, koska traktorien käyttötarpeet ja niistä halutut ominaisuudet vaihtelevat suuresti. Tutkimustyön lopputulokseksi saatiin kolme erilaista vaihtoehtoa hybridirakenteista: a) napamoottorirakenne, joka on rinnakkaishybridijärjestelmä, b) kardaaniakselia avustava sähkömoottori, joka on sarjahybridiratkaisu, sekä c) kardaanin korvaava sähkömoottori, joka on yhdellä sähkömoottorilla toteutettu rinnakkaishybridijärjestelmä. Komponenttien valinta pohjautui Valtran toimittamaan mittausdataan. Data oli kerätty testitraktorilla, jossa oli kardaaniakselilla momentti- ja nopeusanturointi, ja jolla oli ajettu erilaisissa työtehtävissä. Tutkimuksen perusteella sähkömoottorilla varustettu etuakseli olisi fyysisesti toteutettavissa, mutta rakenteen taloudellinen kannattavuus vaatii lisätutkimuksia.

The current emission regulations are becoming stricter, which emphasizes the need to study hybrid technologies where a tractor power need is produced partly electrically. It is assumed that the emission regulations in the future take a stand on the fuel consumption, which makes these hybrid technologies more relevant. Even the latest battery technologies cannot provide sufficient working ranges for fully electric tractors, because the working loads are so massive. There are many ways to convert the tractor into a hybrid and one solution is an electric front axle. The objective of the study was to conceptualize different constructions and the advantages of the electrical driven front axle. The study was limited to include only the front axle, so the excluded parts of the hybrid system are the generator, energy storages, and the controllers for the electric motors. The thesis was executed partially as a development study and partially as an action study, while also quantitative approaches were utilized for the comparison of the achieved benefits. The achieved benefits or advantages of the constructions are not ranked in any way in the work, because usage of the tractor and the need of different features vary greatly. The outcome of study is give three different hybrid solutions: a) hub motor structure, which is a parallel hybrid system, b) assisting electric motor on cardan shaft, which is a serial hybrid system, and c) a cardan shaft replacement motor, which is a parallel hybrid. The components were selected based on the measuring data results provided by Valtra. The data was measured from the cardan shaft of test tractor- which was driven in differ-ent work tasks using torque and speed sensors. According to this study it is physically possible to implement an electrically driven front axle, but the economic benefits of the structure need additional research work.