INFLUENCE OF TRACKED VEHICLE SUSPENSION TYPE ON DYNAMIC LOADS OF CREW AND INSIDE EQUIPMENT

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol.13, No. 4 INFLUENCE OF TRACKED VEHICLE SUSPENSION TYPE ON DYNAMIC LOADS OF CREW AND INSIDE EQUIPMENT Wacaw Borkowski, Piotr Rybak, Bogusaw Michaowski Military University of Technology ul. S. Kaliskiego 2, Warszawa tel.: , fax: p.rybak@wme.wat.edu.pl Abstract In the paper were described threats that can happened to combat vehicles during warfare as well as peacekeeping and stabilising missions. Special attention was pay to suspension and its influence on dynamic load level acting on crew and inside equipment, also in aspect of combat task realization main gun shooting. The main goal was to work out model of combat vehicle the tank equipped with conventional (individual with rod spring) and hydro-pneumatic suspension. Were presented adopted assumption as well as methodology of building mathematical model of investigated object. Parameters of the model were adopted for hypothetical vehicle based on literature data for such kind of vehicles and experts knowledge. The model was verified based on results of authors experimental tests as well as on literature data. Investigations of influence of dynamic loads on vehicle and crew were realised based on simulated drives on different kind of roads and during crossing of-road common obstacles. Results of numerical investigations of self-supporting body of combat vehicle and crew were presented on drawings and charts. Presented methodology make possible multi-variant investigations of combat vehicles operated in complex road condition as well as other multi-axial vehicles as early as construction or modernization stage. Keywords: combat vehicle, tank, suspension, input function, dynamic loads WPYW RODZAJU ZAWIESZENIA POJAZDU GSIENICOWEGO NA OBCIENIA DYNAMICZNE ZAOGI I WYPOSAENIA WEWNTRZNEGO Streszczenie W pracy opisano zagroenia jakie mog spotyka wozy bojowe podczas dziaa wojennych oraz w misjach pokojowych i stabilizacyjnych. Szczególn uwag zwrócono na zawieszenie i jego wpyw na poziom obcie dynamicznych dziaajcych na czonków zaogi oraz wyposaenie wewntrzne, równie w aspekcie realizacji zada bojowych strzelania z uzbrojenia gównego. Gównym celem byo opracowanie modelu wozu bojowego czogu wyposaonego w zawieszenie konwencjonalne( indywidualne na wakach skrtnych) i hydropneumatyczne. Przedstawiono przyjte zaoenia oraz metodyk budowy modelu matematycznego obiektu bada. Parametry modelu przyjto dla hipotetycznego pojazdu w oparciu o dostpn literatur dla tej klasy pojazdów i wiedz eksperck. Model zweryfikowano w oparciu o rezultaty wasnych bada eksperymentalnych oraz dane literaturowe. Badania wpywu obcie dynamicznych na pojazd i zaog realizowano w oparciu o symulowane jazdy po rónych drogach i podczas pokonywania najczciej spotykanych przeszkód terenowych. Rezultaty bada numerycznych samononego nadwozia wozu bojowego i zaogi przedstawiono na rysunkach i wykresach. Zaprezentowana metodyka pozwala na wielowariantowe badanie wozów bojowych eksploatowanych w zoonych warunkach drogowych oraz innych pojazdów wieloosiowych ju na etapie konstruowania lub modernizacji. Sowa kluczowe: wóz bojowy, czog, zawieszenie, wymuszenie, obcienia dynamiczne

2 W. Borkowski, P. Rybak, B. Michaowski 1. Wprowadzenie Minione i wspóczesne konflikty zbrojne (m.in. Angola, Bliski Wschód, Czeczenia, Jugosawia, Afganistan, Irak) potwierdzaj tez, e wozy bojowe (czogi, bojowe wozy piechoty) stanowi i bd nadal stanowi podstawowy rodek walki wojsk ldowych. Przeznaczeniem czogu na wspóczesnym i przyszym polu walki jest m. in. wykonywanie zada w warunkach bezporedniego zagroenia rys.1.1: rodkami poraajcymi przeciwnika; wynikajcymi z poruszania si w terenie z duymi prdkociami. Obszary 1, 2, 3 i 4 odnosz si do zagroe od rodków ogniowych przeciwnika, a obszar 5 zwizany jest z oddziaywaniem min przeciwpancernych i obcie dynamicznych od nierównoci terenowych. Rys 1.1. Obszary oddziaywania zagroe na pojazd bojowy Fig Fig Areas of threats acting on combat vehicle O wartoci czogu decyduj jego gówne cechy bojowe, tzn.: sia ognia, ruchliwo i opancerzenie rys.1.2, które w myl zasady acucha powinny by ogniwami o takiej samej wytrzymaoci. RUCHLIWO SIA OGNIA OPANCERZENIE WARTO BOJOWA WARTO BOJOWA Rys Gówne cechy bojowe czogu Fig Main combat features of the tank Sia ognia czogu charakteryzuje nie tylko rodzaj, ilo i jako uzbrojenia, lecz równie efektywno pocisków oraz jako systemu stabilizacji i kierowania ogniem. Okrela ona moliwo niszczenia z pewnej odlegoci wozów bojowych, rodków ogniowych i innych obiektów opancerzonych w dowolnych warunkach klimatycznych i meteorologicznych, w dzie i w nocy. Opancerzenie czogu chroni w okrelonym stopniu zaog, uzbrojenie, amunicj, mechanizmy i urzdzenia umieszczone wewntrz kaduba i wiey przed rodkami ogniowymi przeciwnika. Opancerzenie charakteryzuj: grubo pyt pancernych, kty ich pochylenia, rodzaj materiau, z których jest wykonana kompozycja osony pancernej, jak równie technologia wykonania pancerza oraz systemy ochrony aktywnej. Pod pojciem ruchliwoci rozumiemy zespó cech charakteryzujcych zdolno jazdy i manewrowania wozu bojowego na polu walki na moliwym do wystpowania i o dowolnym ksztacie podou. Jako najistotniejsze z tych cech naley wymieni: 92

3 Influence of Tracked Vehicle Suspension Type on Dynamic Loads of Crew and Inside Equipment parametry charakteryzujce ruch prostoliniowy, zwrotno, zdolno pokonywania terenu. Ruchliwo czogu decyduje o tempie wykonywania zada bojowych. Jest ona równie nierozerwalnie zwizana z pozostaymi cechami bojowymi (si ognia i opancerzeniem). Im wiksz ruchliwo posiada wóz bojowy, tym trudniejszy cel stanowi dla rodków ogniowych przeciwnika, tym szybciej przekracza niebezpieczne odcinki oraz ma wiksze moliwoci wykorzystania naturalnych oson terenowych. Osignicie wysokiej ruchliwoci wozu bojowego zaley od wielu czynników poczwszy od konstrukcji zespou napdowego i jezdnego poprzez systemy dowodzenia a do warunków pracy i umiejtnoci mechanika kierowcy. Za najwaniejsze z nich uwaa si charakterystyki techniczne silnika, ukadu napdowego i jezdnego, a mianowicie: waciwoci silnika i ukadu napdowego umoliwiajce optymalne wykorzystanie mocy silnika i zapewniajce uzyskanie wymaganej rozpitoci si napdowych i prdkoci jazdy, waciwoci mechanizmów skrtu zapewniajce du zwrotno pojazdu, w tym du prdko ktow realizacji skrtu, pynne wejcie w skrt i wyjcie z niego, konstrukcj ukadu zawieszenia i jezdnego charakteryzujc zdolno do poruszania si w trudnych warunkach terenowych, w peni wykorzystanie przyczepnoci do podoa, jako i precyzja ukadów sterowania czogiem. Aktualnie najbardziej rozpowszechnionymi s zawieszenia indywidualne z metalowymi elementami sprystymi, gównie na wakach skrtnych (wikszo czogów) rys.1.3 lub na sprynach rubowych (czog Merkava MkI, II). W zawieszeniach na wakach skrtnych trudno jest uzyska podany przebieg charakterystyki sprystoci. Dlatego stosuje si dodatkowe elementy spryste wczajce si w kocowej fazie ugicia zawieszenia rys,1.4. Jako elementy dodatkowe, bdce jednoczenie ogranicznikami skoku kó, stosuje si spryny stokowe lub poduszki gumowe. Duo wydajniejsze s rozwizania z zastosowaniem hydraulicznych ograniczników skoku (Leopard 2, Merkava Mk3) lub z tworzywa elastomerowego (PT-91). Rys Rodzaje zawiesze na wakach skrtnych [1] Fig Types of torsion bar suspensions Rys Przykady ograniczników skoku kó nonych Fig Examples of carrying wheels route limiters Ze wzgldu na dobre spenienie wymogu nieliniowoci charakterystyki sprystoci oraz niewielkiej sztywnoci w pooeniu równowagi statycznej coraz czciej w czogach stosuje si zawieszenia hydropneumatyczne (Leclerc, Challenger) rys. 1.5 i 1.6. W zawieszeniach opartych na tym systemie mona ksztatowa charakterystyki sprystoci i tumienia, dostosowujc ich przebieg do obcienia pojazdu. Majc na uwadze to, e realizacja zada bojowych odbywa si w rónych warunkach terenowych w pracy podjto prób jakociowej oceny wpywu zawieszenia na obcienia dynamiczne czonków zaogi i wyposaenie wewntrzne hipotetycznego czogu. 93

4 W. Borkowski, P. Rybak, B. Michaowski Rys Schemat zawieszenia firmy Dunlop Fig Scheme of Dunlop suspension Rys Przykadowa charakterystyka zawieszenia hydropneumatycznego Fig Example characteristic of hydropneumatic suspension W szczególnoci rozwaono dwa rodzaje najczciej stosowanych zawiesze kó nonych: klasyczne na waku skrtnym oraz hydropneumatyczne. Badania realizowano na EMC w oparciu o oryginalne oprogramowanie. 2. Badania modelowe Jako obiekt bada przyjto gsienicowy wóz bojowy wzorowany na czogu PT 91, sylwetk którego przedstawia rys Rys Sylwetka czogu PT 91 Fig Combat vehicle PT 91 Jako gówny cel bada przyjto wykazanie moliwoci zwikszenia pynnoci ruchu pojazdu poprzez zastpienie klasycznego zawieszenia na wakach skrtnych zawieszeniem hydropneumatycznym Model fizyczny obiektu bada Uwzgldniajc zasadniczy cel bada (pynno ruchu pojazdu) opracowano model fizyczny o strukturze przedstawionej na rys. 2.2, zoony z bry sztywnych modelujcych nadwozie, fotel z kierowc oraz koa none poczonych ze sob niewakimi wiziami sprysto tumicymi. Bryom modelujcym nadwozie i fotel przypisano po trzy stopnie swobody przemieszczenie pionowe i przemieszczenia ktowe wzgldem osi podunej i poprzecznej pojazdu, natomiast koom nonym po jednym stopniu swobody przemieszczenie pionowe. Ponadto przyjto nastpujce zaoenia: rozkad mas pojazdu jest symetryczny, co oznacza, e momenty dewiacji s równe zeru; 94

5 Influence of Tracked Vehicle Suspension Type on Dynamic Loads of Crew and Inside Equipment ukad jezdny skada si z okrelonej liczby kó lewej i prawej strony pojazdu zawieszonych indywidualnie na wahaczach wzdunych lub poprzecznych z wykorzystaniem jako elementów sprystych waków skrtnych albo elementów hydropneumatycznych. Moliwe jest równie bezporednie poczenie kó z nadwoziem elementami sprysto tumicymi o zastpczych charakterystykach (wynikajcych z geometrii zawieszenia). Liczba kó nonych po obu stronach pojazdu oraz charakterystyki ich zawiesze mog by róne; Z Y C X 2 C2 C C1 1 1 Rys Model obiektu bada Fig A numerical model of the object charakterystyki sprystoci i tumienia mog by liniowe lub nieliniowe, w zawieszeniu hydropneumatycznym uwzgldniono napicie wstpnego elementów sprystych; pomija si luzy we wszystkich skojarzeniach ruchowych (np. w przegubach zawieszenia); wizy naoone na ukad s holonomiczne i skleronomiczne, natomiast naoone na koa s wizami jednostronnymi. Na rys pokazano charakterystyki sprystoci zawieszenia analizowanego modelu. waek skrtny-wahacz po oparciu o zderzak Sia zawieszenie hydropneumatyczne Ugicie zawieszenia Rys.2.3. Charakterystyki sprystoci: WS waek skrtny-wahacz, HP element hydropneumatyczny Fig.2.3. Spring characteristics: WS - torsion bar-crank, HP hydropneumatic element Charakterystyka sprystoci ukadu wahacz waek skrtny odpowiada istniejcemu rozwizaniu natomiast charakterystyka zawieszenia hydropneumatycznego stosowanego do tej klasy wozów bojowych przyjto wg [3]. 95

6 2.2. Model matematyczny obiektu W. Borkowski, P. Rybak, B. Michaowski Do sformuowania modelu matematycznego przyjto nastpujce ukady wspórzdnych: globalny ukad wspórzdnych OXYZ, w którym formuowane s równania ruchu; lokalny ukad wspórzdnych Sxyz zwizany z modelem kaduba, w którym opisuje si geometri zawieszenia oraz definiuje masowe momenty bezwadnoci nadwozia; lokalny ukad wspórzdnych C 1 x 1 y 1 z 1 zwizany z fotelem kierowcy, którym definiuje si wspórzdne elementów sprysto tumicych zwieszenia fotela i jego masowe momenty bezwadnoci. Opracowano dwa modele matematyczne pojazdu: liniowy i nieliniowy. Pierwszy z nich jest wykorzystywany do analizy podstawowych waciwoci dynamicznych czogu, a w szczególnoci do wyznaczania czstotliwoci i stowarzyszonych z nimi postaci drga wasnych. Jest on równie przydatny do wstpnych bada dynamicznych i czciowego sprawdzenia algorytmu modelu nieliniowego. Równania ruchu sformuowano wykorzystujc równanie Lagrange a II rodzaju [2]. Funkcje energii kinetycznej, potencjalnej i rozproszeni9a okrelono wykorzystujc zasady klasycznej mechaniki ruchu cia sztywnych, przy czym w kadym przypadku zwrócono szczególna uwag na wierne odwzorowanie geometrii zawieszenia. W konsekwencji otrzymano macierzowe równanie ruchu o postaci (2.1) Mq Cq Kq F(t), (2.1) gdzie: M, C, K odpowiednio macierz bezwadnoci, tumienia i sztywnoci ukadu, F wektor obcie zewntrznych wynikajcy z wymusze kinematycznych i siowych, q wektor uogólnionych wspórzdnych o postaci, T q z1, 1, 1, z,,, z kli, z, z, z z 1, 1, 1 przemieszczenia uogólnione fotela, odpowiednio: pionowe, ktowe wzgldem osi poprzecznej i ktowe wzgldem osi podunej pojazdu, z,, przemieszczenia uogólnione kaduba analogicznie jak dla fotela, z kli, z kpi przemieszczenia kó nonych, odpowiednio: lewych i prawych. Wszystkie wspórzdne uogólnione mierzone s od pooenia równowagi statycznej. Do sformuowania modelu nieliniowego wykorzystano zasad d Alemberta otrzymujc ukad równa równowagi dynamicznej o postaci (2.2) nkl kpi Mq Q( q, q, t), (2.2) w którym M, q maj identyczne znaczenie jak w wyraeniu (2.1), natomiast Q jest wektorem uogólnionych si reprezentujcych siy sprystoci, tumienia oraz wymuszenie zewntrzne (siowe lub kinematyczne). Charakterystyki elementów sprystych i tumicych mog mie dowolna posta okrelon zalenoci funkcyjn lub by aproksymowane lini aman o dowolnej liczbie odcinków. Istotnym problemem w analizie nieliniowej jest wyznaczenie pooenia równowagi statycznej rozwaanego modelu fizycznego. W opracowanym algorytmie realizowane jest to poprzez rozwizanie przyrostowego, nieliniowego równania równowagi statycznej (zlinearyzowanego na kroku przyrostowym) (2.3) nkp, K( q)q G, (2.3) 96

7 Influence of Tracked Vehicle Suspension Type on Dynamic Loads of Crew and Inside Equipment gdzie K(q)jest macierz sztywnoci okrelon dla kadego kroku przyrostowego wedug algorytmu jak w modelu liniowym, q jest przyrostem wektora uogólnionych przemieszcze, natomiast G przyrostem wektora si cikoci elementów modelu. Dla obu modeli matematycznych opracowano algorytmy i program komputerowy do ich analizy. Kod ródowy programu zosta napisany w jzyku FORTRAN. W aktualnej wersji program umoliwia analiz drga wasnych i wymuszonych pojazdów gsienicowych z indywidualnym zawieszeniem kó nonych poddanych dziaaniu typowych wymusze kinematycznych i siowych, a mianowicie: toru sinusoidalnego, progu, pojedynczej nierównoci w postaci garbu, przeciwskarpy [4], wymuszenia losowego oraz oddziaywania uzbrojenia gównego podczas strzelania. Wyniki oblicze wyprowadza si w postaci plików atwych do dalszej obróbki za pomoc specjalistycznego oprogramowania narzdziowego Drgania wasne W pierwszym etapie analizy rozwizano uogólnione zagadnienie na wartoci wasne [5]. Obliczone, podstawowe czstoci drga wasnych modelu zestawiono w tabeli 2.1. W tabeli zawarto równie czstoci drga wasnych uzyskane z bada eksperymentalnych oraz wg danych literaturowych. Tab Zestawienie porównawcze czstotliwoci drga wasnych modelu i pojazdu Tab Comparison of natural frequencies of the model and object Czstotliwo drga [Hz] Badania modelowe WS/HP *) Badania eksperymentalne i dane literaturowe ktowe podune kaduba 0.96 / pionowe kaduba 1.61/ siedziska *) WS zawieszenie na wakach skrtnych, HP zawieszenie hydropneumatyczne Mona stwierdzi, e uzyskane czstoci drga wasnych czogu odpowiadaj czstociom drga wasnych tej klasy pojazdów Wyniki bada modelowych Opracowany model obiektu, wyposaony w zawieszenie na wakach skrtnych lub hydropneumatyczne, poddano obcieniu podczas przejazdów po drogach o zadanym profilu i parametrach odpowiadajcych typowym drogom czogowym oraz pojedynczych nierównoci mogcych si niespodziewanie pojawi przed pojazdem. Na rysunku 2.5 przedstawiono wybrane przebiegi czasowe przyspiesze kaduba pojazdu i siedziska kierowcy podczas przejazdu przez pojedyncz nierówno typu garb poprzeczny, dla pojazdu zawieszonego konwencjonalnie na wakach skrtnych WS oraz na elementach hydropneumatycznych HP. W tabeli 2.2 zestawiono maksymalne wartoci przyspiesze pionowych bdce rezultatem bada przy pokonywaniu przez czog przeszkody typu przeciwskarpa. Obliczenia prowadzono dla przeciwskarpy o wysokoci 0.6.m i dla rónych prdkoci ruchu pojazdu zawieszonego na analizowanych elementach sprystych. 97

8 W. Borkowski, P. Rybak, B. Michaowski 6 Przyspieszenia liniowe SM (WS-Garb: A=0,15 m; L=1 m; v=5,6 m/s) ZB1 ZB 4 Przyspieszenia liniowe [m/s 2 ] Czas [s] Przyspieszenia liniowe (HP-Garb: A=0,15 m; L=1 m; v=5,6 m/s) ZB1 ZB Przyspieszenia liniowe [m/s 2 ] Czas [s] Rys Przyspieszenia pionowe rodka masy ZB i kierowcy ZB1 podczas przejazdu przez pojedyncz nierówno typu garb Fig Vertical accelerations of mass center ZB and driver ZB1 while transit through single inequality hump type Tab Zestawienie wartoci maksymalnych przyspiesze podczas pokonywania przeciwskarpy Tab Comparison of maximum values of accelerations while scarp defeating Przyspieszenia pionowe [m/s2] Prdko jazdy v=2m/s WS HP Prdko jazdy v=4m/s WS HP rodka masy kaduba siedziska kierowcy

9 Influence of Tracked Vehicle Suspension Type on Dynamic Loads of Crew and Inside Equipment Na rys. 2.6 przedstawiono przebiegi czasowe interesujcych przyspiesze podczas symulowanych jazd terenowych. 4 3 Fotel WS SM WS 2 Przyspieszenie pionowe [m/s2] Czas [s] Fotel HP SM HP 2 Przyspieszenie pionowe [m/s2] Czas [s] Rys Przebiegi przyspiesze rodka masy i fotela podczas jazd po drodze gruntowej Fig.2.6. Courses of accelerations center of mass and the arm-chair during drives along the ground way W tabeli 2.3. zestawiono odchylenia standardowe przyspiesze pionowych dziaajcych na rodek masy kaduba czogu i siedzisko kierowcy podczas jazd terenowych dla zaoonych parametrów profilu drogi odpowiadajcych typowej drodze gruntowej. Tab Zestawienie odchyle standardowych przyspiesze podczas jazd po dowolnych drogach Tab Comparison of acceleration standard deviations while moving on various roads Przyspieszenia pionowe [m/s2] Prdko jazdy v=2m/s WS HP Prdko jazdy v=4m/s WS HP rodka masy kaduba siedziska kierowcy

10 W. Borkowski, P. Rybak, B. Michaowski 3. Wnioski kocowe Przedstawione wyniki uzyskano z oblicze wykonanych dla hipotetycznego czogu i maj one charakter jakociowy. Daje si zauway, niezalenie od rodzaju pokonywanego terenu, wyrane zmniejszenie obcie dynamicznych czogu zawieszonego na elementach hydropneumatycznych w stosunku do zawieszonego na wakach skrtnych. W odniesieniu do zaogi zmniejszenie wartoci obcie jest na poziomie od %, a w przypadku obcie kaduba od %. Opracowany model pojazdu jest uniwersalnym i pozwala realizowa badania obcie dynamicznych zaogi i wyposaenie wewntrznego gsienicowych wozów bojowych i pojazdów wieloosiowych. Badania mona realizowa wielowariantowo, uwzgldniajc midzy innymi: zmian pooenia rodka masy pojazdu i parametrów masowych, zmian wymuszenia, zmiany charakterystyk elementów sprystych i tumicych zawieszenia (nieliniowe, liniowe), moliwo zmiany charakterystyk sprystych i tumicych kó jezdnych, róne charakterystyki waciwoci podoa, wpyw uszkodze ukadu jezdnego, a w szczególnoci elementów zawieszenia na waciwoci dynamiczne pojazdu. Opracowana metodyka bada numerycznych umoliwia: okrelenie obcie dynamicznych analizowanych obiektów bada i jego elementów, okrelenie obcie dziaajcych na czonków zaóg, desantu lub adunku pojazdów, ocen odpornoci wyposaenia wewntrznego pojazdów bojowych, oszacowanie skutków dziaania obcie dynamicznych ju na etapie projektowania lub modernizacji pojazdu. Literatura [1] Chodkowski, A., W., Konstrukcja i obliczanie szybkobienych pojazdów gsienicowych, WK Warszawa [2] Leyko, J., Mechanika ogólna, t.2. PWN [3] Materiay firmy Horstman Defence Systems Ltd, [4] Przysucha, J., Analiza obcie dynamicznych pojazdu gsienicowego podczas pokonywania przeszkód terenowych, Rozprawa doktorska, WAT Warszawa [5] Borkowski, W., Konopka, S., Prochowski, L., Dynamika maszyn roboczych, WNT, Warszawa