Cascade Drives specializes in high-performance electromechanical linear actuators (EMA). The company has developed a range of linear rack and pinion actuators based on a patented load distribution technique that allows multiple pinions to interact with a single gear rack. A project where one of their EMAs is to be implemented into an excavator boom is about to be initiated. It is suspected that extreme shock loads are present in such applications. The shock loads could potentially cause problems for the structural integrity of the gear train. This master thesis focused on defining requirements for an overload protection mechanism and identifying and evaluating possible solutions that could be implemented into the EMA to protect it from damage. At the start of the thesis, a pre-study had already been conducted. The author found that the forces present during shock loading warrant some protection strategy to be researched and implemented into the EMA. A comprehensive multibody dynamics model (MBD) of the EMA was developed in MSC Adams (View) to validate the result from the pre-study. The MBD model was later expanded to include a torsional stiffness model derived from physical tests and the flexibility of the excavator boom itself, which was extracted from flexible body simulations of the excavator boom assembly in Adams. The expanded MBD model simulations revealed that a protection mechanism was needed in the thought application. Three protection mechanisms/strategies were simulated and evaluated in the MBD environment. A slipping solution in the form of a friction clutch, a disconnecting solution in the form of an electromagnetic clutch, and an active solution in which the electric motor was controlled to produce maximum torque in the opposite direction of motion at the point of impact to dampen the loads through the gear train. Running the motor in reverse at impact proved to be an insufficient strategy. Even for an idealized motor that combined the maximum torque from the strongest motor and the rotational inertia from the lightest motor available for the EMA, simulations resulted in loads above the static load limit through the gear train. The friction clutch was shown to be plausible but inefficient. The slipping torque of a friction clutch had to be detuned way below the static load limit due to the delays in peak torque throughout the gear train, which meant that the overall actuating force of the actuator was severely hampered. The electromechanical disconnecting clutch was proved to be the most promising alternative. The disconnecting clutch completely disengages the upstream components from the downstream components in the drive train, meaning that the overall system performance remained unchanged. The response times needed depended on where the clutch was installed, from around 16ms if only the motor was disengaged up to 17ms if both the motor and the brake were disengaged. Further analysis of triggering strategies and response times has to be conducted to definitely decide if an electromagnetic clutch is a viable option. Still, the result from this thesis shows that it is a promising path. / Cascade Drives är specialiserade på högpresterande elektromekaniska linjära ställdon. Företaget har utvecklat en rad linjära ställdon av kuggstångskonfiguration som bygger på en patenterad lastfördelningsteknik som möjliggör för flera pinjonger att interagera med en enda kuggstång. Ett projekt där ett av deras ställdon ska implementeras i en grävmaskinsbom är på väg att inledas och man misstänker att det i en sådan applikation kan uppstå extrema chocklaster, vilka potentiellt kan orsaka stora skador på ställdonets drivlina. Detta examensarbete fokuserade på att kravställa och analysera ett överbelastningsskydd och att identifiera och utvärdera olika möjliga lösningar som kan implementeras i ställdonet för att skydda det från skador. En förstudie kring problemet har redan genomförts där författaren fann att de krafter som uppstår vid chocklaster motiverar att någon form av skyddsstrategi undersöks och implementeras i ställdonet. En omfattande multibody dynamics (MBD) modell av ställdonet utvecklades i MSC Adams (View) för att validera resultatet från förstudien. MBD-modellen utvidgades senare till att innefatta en torsionsflexmodell härledd från fysiska tester och även flexibiliteten hos själva grävmaskinbommen som extraherades från flexible body-simuleringar av grävmaskinens bomaggregat i Adams. Resultat från de utökade MBD-modellsimuleringarna visade att en skyddsmekanism behövs för att skydda drivlinan i ställdonet mot överlast i den tänkta grävmaskinsapplikationen. Tre olika skyddsmekanismer/strategier simulerades och utvärderades i MBD-miljön. En glidande lösning i form av en friktionskoppling, en frånkopplande lösning i form av en elektromagnetisk koppling, och en aktiv lösning där elmotorn reglerades till att producera maximalt vridmoment bakåt vid tidpunkten för kollisionen för att minska belastningarna i drivlinan. Att köra motorn bakåt vid kollision visade sig vara otillräckligt. Även för en idealiserad motor som kombinerade det maximala vridmomentet från den starkaste motorn som simulerades med rotationströgheten från den lättaste motorn som simulerades resulterade simuleringar i krafter genom drivlinan överstigande den statiska maxbelastningen. Friktionskopplingen visade sig vara en möjlig men ineffektiv lösning. Friktionskopplingens utlösningsmoment måste trimmas ner långt under den statiska maxbelastningen på grund av tiden det tar för maxbelastningen att propagera genom drivlinan. Detta innebar att ställdonets totala prestanda minskade rejält. Den frånkopplande elektromekaniska lösningen visade sig vara det mest lovande alternativet. Det faktum att den frånkopplande kopplingen helt kopplar bort komponenterna uppströms från komponenterna nedströms i drivlinan innebar att systemets prestanda förblev oförändrad. Svarstiderna som krävdes berodde på var kopplingen var installerad, från cirka 16ms om bara motorn skulle kopplas ur och upp till 17ms om både motorn och bromsen kopplades ur. Ytterligare analyser av utlösningsstrategier och svarstider måste genomföras för att definitivt avgöra om en elektrisk frånkopplande koppling är ett bra alternativ, men resultaten från denna avhandling visar att det är en lovande väg.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-320826 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Vesterberg, Mats |
| Publisher | KTH, Maskinkonstruktion (Inst.) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ITM-EX ; 2022:155 |
Page generated in 0.003 seconds