HYDROPNEUMATYCZNE ZAWIESZENIE POJAZDU GSIENICOWEGO Z AMORTYZACJ CIERN

Szybkobiene Pojazdy Gsienicowe (39) nr 1, 2016 Piotr WOCKA Stanisław TOMASZEWSKI HYDROPNEUMATYCZNE ZAWIESZENIE POJAZDU GSIENICOWEGO Z AMORTYZACJ CIERN Streszczenie. W artykule przedstawiono koncepcje hydropneumatycznego zawieszenia pojazdu gsienicowego opartego o zespół cylindra hydropneumatycznego i amortyzatora ciernego zintegrowanego z piast wahacza. Omówiono przeznaczenie, konfiguracj, budow pojedynczego zespołu zawieszenia oraz kinematyk i koncepcj budowy układu zawieszenia pojazdu gsienicowego. Słowa kluczowe: zawieszenie, amortyzator, hydropneumatyczne, gsienice, koła none, układ jezdny. 1. WSTP Technologia elementów hydropneumatycznych w zawieszeniach pojazdów kołowych i gsienicowych jest stosowana i rozwijana od kilkudziesiciu lat. Podstawowe załoenia dotyczce elementów hydropneumatycznych, w których rol elementu sprystego pełni sprony gaz oddzielony od przestrzeni wypełnionej olejem hydraulicznym si nie zmieniaj. Główny postp w dziedzinie rozwiza zawiesze pojazdów wykorzystujcych elementy hydropneumatyczne nastpuje w poprawie trwałoci, powikszaniu zakresu moliwoci sterowania oraz wariantach zabudowy. W pojazdach wojskowych, równie gsienicowych, elementy hydropneumatyczne w zawieszeniach zaczto stosowa w celu poprawy amortyzacji i parametrów trakcyjnych, szczególnie w warunkach poruszania si pojazdów po drogach gruntowych, wyboistych oraz po bezdroach. W bojowych pojazdach gsienicowych dodatkowo hydropneumatyczne elementy zawieszenia stanowi wany element pojazdu absorbujcy siły powstajce podczas strzelania z dział, armat redniego i duego kalibru. Siły odrzutu powstajce podczas strzału przenoszone s poprzez czopy armaty, działaj kolejno na kadłub, podwozie pojazdu i ostatecznie na zawieszenie. Siły te powinny by w jak najskuteczniejszy sposób tłumione w celu ograniczenia napre przenoszonych na konstrukcj pojazdu oraz zapewnienia stabilizacji pojazdu, co wpływa na celno i skuteczno prowadzenia ognia w warunkach bojowych. Obecnie w dobie modernizacji sprztu i wyposaenia Sił Zbrojnych RP oraz braku dostpnych rozwiza krajowych konieczne jest pozyskanie lub opracowanie zespołów, elementów, układów do zawiesze pojazdów gsienicowych, w szczególnoci do zawiesze z elementami hydropneumatycznymi. W niniejszym opracowaniu przedstawiono koncepcj zawieszenia pojazdu gsienicowego opartego o zespół cylindra hydropneumatycznego i amortyzatora ciernego, zintegrowanego z piast wahacza. mgr in. Piotr WOCKA, mgr in. Stanisław TOMASZEWSKI - Orodek Badawczo Rozwojowy Urzdze Mechanicznych OBRUM sp. z o.o., Gliwice

40 Piotr WOCKA, Stanisław TOMASZEWSKI 2. KONCEPCJA ZAWIESZENIA HYDROPNEUMATYCZNEGO Z AMORTYZATOREM CIERNYM Układ zawieszenia wg koncepcji rozwizania oparty jest na zespole wahacza zintegrowanego z amortyzatorem ciernym oraz zewntrznego cylindra hydropneumatycznego. Oba te elementy składaj si na pojedyncz stacj zawieszenia. Zespół wahacza z wbudowanym amortyzatorem ciernym montowany jest od zewntrz kadłuba do bocznych burt. Przestrze wewntrz kadłuba zajmuje zespół amortyzatora ciernego. Amortyzator umieszczony w osi obrotu wahacza zawiera pakiet tarcz z okładzinami ciernymi oraz wewntrzny zespół sterujcy, który zmienia i dostosowuje sił amortyzacji (tłumienia) wzgldem ruchu wahacza poprzez zmian siły zacisku pomidzy pakietem tarcz i wynikajcej z niej zmiany siły tarcia. Dodatkowo zespół sterujcy amortyzatora umoliwia podłczenie zewntrznego układu sterujcego, który pozwala na zmian charakterystyki amortyzacji (tłumienia) oraz blokad ruchu obrotowego osi wahacza, a tym samym blokad ruchu zawieszenia. Rys. 1. Stacja zawieszenia hydropneumatycznego OBRUM Rys. 2. Stacja zawieszenia hydropneumatycznego OBRUM

Hydropneumatyczne zawieszenie pojazdu gsienicowego z amortyzacj ciern 41 Rys. 3. Zabudowa układu zawieszenia hydropneumatycznego OBRUM Tablica 1. Parametry układu zawieszenia hydropneumatycznego z amortyzacj ciern Parametr Producent OBRUM sp. z o.o. Typ Status produktu (produkcja) Zakres dostawy Rodzaj Konfiguracja Zabudowa Sposób amortyzacji ZAWIESZENIE HYDROPNEUMATYCZNE Praca b+r (Polska) Kompletny układ Hydropneumatyczne Rozdzielona Zewntrzna Cierny Zakres regulacji przewitu wozu +196 / -255 w płaszczynie poziomej [mm] Masa 1 szt. stacji [kg] ~200 Obcienie 1 szt. stacji [kg] ~3500 Liczba stacji zawieszenia pojazdu gsienicowego uzaleniona jest od masy pojazdu oraz wymaga trakcyjnych okrelonych dla danego pojazdu. Układ zawieszenia współpracuje funkcjonalnie z układem napinania gsienic. Zastosowanie 5, 6 lub 7 stacji zawieszenia umoliwia wykorzystanie w pojazdach gsienicowych o masie od 35 do 50 ton. Cylinder hydropneumatyczny jako podstawowy element sprysty zawieszenia zapewnia elastyczne zawieszenia kół nonych. Dodatkowo umoliwia zmian przewitu i kta

42 Piotr WOCKA, Stanisław TOMASZEWSKI wzdłunego/poprzecznego kadłuba wzgldem pozycji nominalnej poprzez hydrauliczny układ sterujco-zasilajcy. Znajdujce si w układzie zawieszenia cylindry hydropneumatyczne umoliwiaj zmian połoenia wahaczy czyli zmian kta połoenia wzdłunego i poprzecznego pojazdu oraz zmian przewitu pojazdu. Ma to bezporedni wpływ na zdolno pokonywania pionowej ciany oraz parametry trakcyjne wozu. Natomiast amortyzatory cierne pozwalaj na zmian charakterystyki pracy zawieszenia poprzez zmian amortyzacji oraz umoliwiaj zablokowanie pozycji zawieszenia w dowolnej pozycji. 3. ZAŁOENIA WSTPNE Do oblicze przyjto nastpujce parametry pojazdu: mas pojazdu M = 35 t, ilo stacji zawieszenia n = 12, przewit 450 mm. Jako element sprysty zastosowano spryn gazow umieszczon w zespole cylindra, który połczono funkcjonalnie z amortyzatorem ciernym, zabudowanym w osi wahacza. Dla przyjtego układu rednie obcienie przypadajce na jedno koło w połoeniu normalnym (statycznym) wynosi: (1) Na rysunku poniej przedstawiono przyjte parametry ustawienia zespołu zawieszenia w połoeniu normalnym (statycznym). Rys. 4. Zawieszenie w połoeniu normalnym (statycznym)

Hydropneumatyczne zawieszenie pojazdu gsienicowego z amortyzacj ciern 43 4. ANALIZA OBLICZENIOWA SPRYNY GAZOWEJ Do analiz obliczeniowych przyjto dwa przypadki, odnoszce si do połoenia tłoka pływajcego wzgldem powierzchni A. 4.1. Przypadek 1 W tym przypadku w połoeniu dolnym zespołu zawieszenia komora hydrauliczna cylindra jest wypełniona olejem, tłok pływajcy rozdziela komor gazow od hydraulicznej. Tłok nie jest odsunity od powierzchni A. Komora gazowa jest napełniona gazem pod cinieniem 16 MPa. Połoenie to przedstawiono na rysunku. Rys. 5. Zawieszenie w połoeniu dolnym Przy nastpujcych załoeniach: rednica tłoka w cylindrze (cz hydrauliczna): d 1 = 80 mm, rednica tłoka w cylindrze (cz gazowa): d 2 = 100 mm, rednica tłoczyska w cylindrze (cz hydrauliczna): d 3 = 60 mm. Powierzchna czynna tłoka równa rónicy przekroju φ80 i φ60 wynosi:! " # $ % &'()** (2) Oznaczajc sił na tłoku spryny gazowej jako Rs a sił pionow na kole jako R k, oblicza si cinienie statyczne w cylindrze: +, -. /010 &&78 (3), / 2 3456

44 Piotr WOCKA, Stanisław TOMASZEWSKI W połoeniu dolnym wahacz jest obrócony do pozycji, w której tłoczysko jest całkowicie wysunite, co obrazuje rysunek poniej. Rys. 6. Zawieszenie w połoeniu dolnym W połoeniu statycznym komora gazowa ma objto pomniejszon o wypart ciecz z komory hydraulicznej przy ruchu koła od połoenia dolnego do połoenia statycznego. Objto wypartej cieczy, o któr zmniejszyła si komora gazowa.: 9 :; $ ''** '** (4) Nastpnie obliczamy wielko przesunicia tłoka pływajcego: < = >5? '** (5) Znajc objto gazu w połoeniu statycznym i dolnym oraz wymagane cinienie statyczne, mona obliczy cinienie w połoeniu dolnym. Objto komory gazowej w połoeniu dolnym (warto maksymalna): 9 @AB AA C " D %AA E** (6) Objto komory gazowej w połoeniu normalnym (statycznym) 9 @ 9 @AB! FGAA '')'** (7)

Hydropneumatyczne zawieszenie pojazdu gsienicowego z amortyzacj ciern 45 W przemianie adiabatycznej midzy dwoma stanami zachodzi zwizek: + H I + H I JKLM. (8) - współczynnik adiabaty przyjto 1,4 Obliczamy cinienie minimalne p min w połoeniu dolnym. + AN ; /010= O/010 P = OQ1R P E78 (9) Na podstawie obliczonych wielkoci oraz opracowanego model geometrycznego 3D zawieszenia, obliczono przebieg sił w cylindrze i sił pionow na kole za pomoc programu Solid Works Motion. Na rysunkach poniej przedstawiono koncepcyjny model geometryczny 3D przyjty do oblicze oraz wykresy sił. Rys. 7. Model koncepcyjny stacji zawieszenia Rys. 8. Wykres zmiany siły działajcej na koło

46 Piotr WOCKA, Stanisław TOMASZEWSKI Rys. 9. Wykres zmiany siły reakcji cylindra Dla cinienia wstpnego p min zmieniajc objto komory, uzyskujemy charakterystyki o rónym pochyleniu. 4.2. Przypadek 2 W tym przypadku napełniono komor hydrauliczn tak, e tłok pływajcy jest odsunity od powierzchni A. Przyjto trzy odległoci odsunicia tłoka, tj. 20 mm, 40 mm i 60 mm od powierzchni A. Komora gazowa w kadym przypadku jest wypełniona gazem pod cinieniem 16 MPa. a. odsunicie 20 mm Rys. 10. Układ zawieszenia w połoeniu dolnym (odsunicie L=20mm)

Hydropneumatyczne zawieszenie pojazdu gsienicowego z amortyzacj ciern 47 Rys. 11. Siła pionowa koła (odsunicie L=20mm) Rys. 12. Siła w cylindrze (odsunicie L=20mm) b. Odsunicie 40 mm Rys. 13. Siła pionowa koła (odsunicie L=40mm)

48 Piotr WOCKA, Stanisław TOMASZEWSKI c. Odsunicie 60 mm Rys. 14. Siła w cylindrze (odsunicie L=40mm) Rys. 15. Siła pionowa koła (odsunicie L=60 mm) Rys. 16. Siła w cylindrze (odsunicie L=60 mm) Porównanie podstawowych wielkoci uzyskanych z oblicze dla przypadku 1 (odsunicie 0 mm) oraz przypadku 2 (odsunicie 20 mm, 40 mm i 60 mm) przedstawiono w tablicy 2. We wszystkich przypadkach cinienie napełnienia gazu jest jednakowe p min =16 MPa, siła pionowa na kole w połoeniu normalnym (statycznym) jest jednakowa P kstat =29166 N.

Hydropneumatyczne zawieszenie pojazdu gsienicowego z amortyzacj ciern 49 Tablica 2. Zestawienie parametrów cylindra hydropneumatycznego Przypadek Odsunicie P p [mm] min [MPa] kstat p max p kmin p kmax p max / p kmax / [N] [MPa] [N] [N] p min p kmin 1 0 16 29166 32 21171 73683 2 2,52 20 16 29166 34,5 21169 79699 2,15 2,73 2 40 16 29166 38,2 21167 88019 2,38 3,01 60 16 29166 43,4 21165 100244 2,71 3,44 5. ANALIZA OBLICZENIOWA AMORTYZATORA CIERNEGO 5.1. Wersja 1 Na podstawie analiz rozwiza przyjto posta konstrukcyjn amortyzatora ciernego przedstawion na rysunku 14. W pakiecie ciernym zastosowano 9 tarcz czynnych oraz 10 tarcz z okładzinami. Do zaciskania zastosowano 4 zwijane spryny. Dla zwikszenia siły docisku istnieje moliwo zamontowania 12 spryn. Dodatkowo mona zwikszy sił docisku, doprowadzajc olej hydrauliczny do komory zasilania. Zmieniajc cinienie mona zmienia całkowity moment tarcia amortyzatora. Rys. 17. Budowa amortyzatora ciernego W przyjtym rozwizaniu konstrukcyjnym, w czasie obrotu wahacza wystpuje stały moment tarcia, zaleny od zadanego cinienia i nacisku spryn. Przyjto nastpujce parametry amortyzatora ciernego: ilo par ciernych: z =18, rednica zewntrzna okładziny ciernej: D z =220 mm, rednica wewntrzna okładziny ciernej: D w = 122 mm, rednica tłoczyska: d tł = 25 mm, siła spryny w stanie nieobcionym (długo 25 mm): 118 N/mm, siła spryny przy maksymalnym ugiciu 6,2 mm: 736,1 N.

50 Piotr WOCKA, Stanisław TOMASZEWSKI Na podstawie rednicy wewntrznej i zewntrznej tarcz ciernych mona obliczy redni promie tarcia: S TU V 4 $ #V > $ V 4 #V > &'&(** (10) Nastpnie wyznacza si moment tarcia: 7 W, TX. * (11) Spryny w nominalnym połoeniu s cinite do długoci 19,7 mm. Na podstawie przyjtych parametrów spryny i ugicia 5 mm obliczy mona sił nacisku jednej spryny: Y & ZE (12) Przyjto współczynnik tarcia: [ E Tablica 3. Zestawienie parametrów wzgldem liczby spryn Liczba Siła zacisku P Moment tarcia M t Siła na ramieniu spryn [N] [Nm] wahacza R k [N] 4 0,11 2360 410 1026 8 0,11 4720 821 2052 12 0,11 7080 1231 3078 W przypadku gdy spryny wspomagane s przez tłoczki wzrasta ich siła nacisku. W tablicach poniej przedstawiono wyniki oblicze, gdzie podano sił zacisku spryn, moment tarcia i sił na ramieniu wahacza, prostopadł do osi wahacza i przyłoon w osi koła. Tablica 4. Parametry układu bez spryn! " #$"%&' ()#&' *%'%&+, %)+,&' *#((&' #,*+&' ( **%)*&' "',$&' +*""&+ ) *+%')&' "%#"&' ()#'&' *' *$(#+&' #,*+&' )+#%&+ *" "#+(*&$,'$)&' *'",,&$ *, "%,))&$,%)*&' **$+"&, *( #*,*+&$ +,(,&' *#(+$&$ "' #$"($&$ ()#'&' *%'%,&$ "+,$')%&, )+#%&+ "*#,#&(

Hydropneumatyczne zawieszenie pojazdu gsienicowego z amortyzacj ciern 51 Tablica 5. Parametry układu dla 4 spryn,! " (")(&$$ *'$#&,+ "%##&(,, *'"*#&$) *%%(&,+,,,*&*# ( *,*,'&$% ",+$&,, (*,)&(" ) *)'(%&$( #*,"&,, %)+(&** *' "*$$,&$+ #)"+&,, $+(#&(' *" "+$"*&$,,+')&,# **"%*&*' *, "$),)&$, +*$*&,# *"$%)&+) *( ##%%+&$# +)%,&," *,()(&'% "',*("$&$* %",'&," *)*'*&'+ "+ +*,,%&#$ )$,%&$* ""#($&%% Tablica 6. Parametry układu dla 8 spryn Tablica 7. Parametry układu dla 12 spryn )! " )(,%&' *+'#&$ #%+$&), *"+%,&' "*)(&$ +,(%&# ( *(+'*&' ")($&$ %*%,&) ) "',")&' #++"&$ )))"&# *' ",#++&',"#+&$ *'+)$&% *" ")")*&',$*)&$ *""$%&" *, #""')&' +('*&$ *,'',&% *( #(*#+&' ("),&$ *+%*"&" "',#$)$&' %(+'&$ *$*"%&" "+ +#)'%&, $#+)&, "##$+&$ *"! " **''%&' *$*,&,,%)+&$, *,$#,&' "+$%&, (,$#&, ( *))(*&' #")'&, )"''&$ ) ""%))&' #$(#&, $$')&, *' "(%*+&',(,(&, **(*+&$ *" #'(,*&$ +#"$&, *##"#&, *, #,+()&$ ('*"&, *+'#'&$ *( #),$+&$ (($+&# *(%#)&, "',(#,$&$ )'(*&# "'*+#&# "+ +(*(%&, $%()&) ",,""&* Z uzyskanych wyników oblicze wynika, e maksymalna siła docisku wystpuje w przypadku zamontowania 12 spryn i przy cinieniu 25 MPa.

52 Piotr WOCKA, Stanisław TOMASZEWSKI Obliczenie maksymalnego nacisku na okładzinach ciernych. +. GGF ))78 (13) 2 34 "V 4 #V > % Maksymalny dopuszczalny nacisk na okładzinach ciernych: + \; (Z78 (14) Na podstawie przeprowadzonych oblicze mona stwierdzi, e: + ] + \; (15) 5.2. Wersja 2 W wersji drugiej zastosowano taki sam pakiet cierny jak w wersji pierwszej. W miejsce tarczy dociskajcej wstawiono rozpieracz, który w czasie obrotu wahacza zmienia swoj szeroko, dociskajc tłoczki i spryny. W takim układzie konstrukcyjnym charakterystyka momentu zmienia si w funkcji kta wychylenia wahacza. Po całkowitym zaciniciu spryn moliwe jest zablokowanie wahacza przez podanie odpowiedniego cinienia do komory hydraulicznej, a take odblokowanie wahacza przez zmniejszenie cinienia w komorze do zera. W tej wersji zastosowano 4 tłoczki o rednicy 32 mm i 4 spryny o długoci 51 mm w stanie nie obcionym, dajce sił 128 N na kady milimetr ugicia. Maksymalne odkształcenie spryny wynosi 13 mm i daje przy tym ugiciu sił 1664 N. Rys. 18. Amortyzator cierny (Wersja 2) W tym przypadku, gdy w komorze zasilania wystpuje cinienie bliskie zera i zostan wybrane luzy w pakiecie ciernym, moment tarcia w połoeniu statycznym jest równy zero. Wychylenie wahacza do góry lub do dołu powoduje ciskanie spryn przez rozpieracz zalene od kta wychylenia wahacza. Obliczone wartoci momentu tarcia, siły na kole, nacisku na pakiet cierny podano w tablicy.

Hydropneumatyczne zawieszenie pojazdu gsienicowego z amortyzacj ciern 53 Kt zero stopni odpowiada połoeniu normalnemu (statycznemu) wahacza (wahacz obrócony w dół o kt 17 stopni od połoenia poziomego). Tablica 8. Parametry amortyzatora bez cinienia wstpnego!"#$ "$! %%%&$% & %## $!'($ )!&$"! %! $ %)'$% "$! '!"#$ $" %%%$& $ $ $ $ $ $ * $ $ $ *' #"&$ %%&$#!' $% *%# %(#$! & $( '"!$& *!" & &$ "(#$# % (%$# Rys. 19. Przebieg momentu tarcia wzgldem kta połoenia wahacza (cinienie wstpne 0 bar) Po podaniu cinienia 10 bar nastpuje wstpne ugicie spryn o 6 mm. Przy wychyleniu wahacza otrzymujemy zmienne obcienie spryn wg zmieniajcej si szerokoci rozpieracza, zalenej od połoenia ktowego wahacza. Obliczone wartoci momentu tarcia, siły na kole, nacisku na pakiet cierny podano w tabeli. Tablica 8. Parametry amortyzatora dla cinienia wstpnego 10 bar "#&!$ ()($"! '$ & )&#$ '!&$)!"($&! (#$ )%!$ %)'%$ ' &&!'$ ")'$' % )$ &)!$ "& $& %&&"$) &)!$ "& $& %&&"$) * &)!$ "& $& %&&"$) *' &)!"$ # )$( %#%($'

54 Piotr WOCKA, Stanisław TOMASZEWSKI Rys. 20. Przebieg momentu tarcia zaleny od połoenia wahacza (cinienie wstpne 10 bar) Podajc wstpne cinienie w zakresie od 0 do 10 bar zmieniamy charakterystyk od przedstawionej na rys. 16, przenoszc wykres równolegle do góry do osignicia wykresu pokazanego na rys. 20. Wysze cinienia wstpne mog by podawane tylko w czasie postoju pojazdu w celu zablokowania zawieszenia. 6. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych analiz obliczeniowych oraz opracowanej koncepcji i modelu 3D, opracowano dokumentacj konstrukcyjn, umoliwiajc wykonanie pojedynczego zespołu (stacji) zawieszenia. Na podstawie tej dokumentacji wykonano funkcjonalny zespół zawieszenia i poddano go badaniom. Wyniki bada dowiadczalnych stacji zawieszenia potwierdziły załoenia konstrukcyjne, a take moliwoci technologiczne wykonania takich zespołów. W dalszym etapie bada dowiadczalnych mona rozszerzy funkcjonalno zespołu zawieszenia, wprowadzajc sterowanie poprzez zmian cinienia w zespole amortyzatora ciernego. W warunkach rzeczywistych pozwoli to na dostosowanie charakterystyki pracy zawieszenia do warunków drogowych, po których porusza si pojazd. 7. LITERATURA [1] Burdziski Z. Teoria ruchu pojazdu gsienicowego. Warszawa, Wydawnictwo Komunikacji i Łcznoci WKiŁ, 1972. [2] Szargut J. Termodynamika techniczna. Gliwice, Wydawnictwo Politechniki lskiej, 2013. ISBN: 9788378801801. [3] Walczak J. Wytrzymało materiałów oraz podstawy teorii sprystoci i plastycznoci. Warszawa, Pastwowe Wydawnictwo Naukowe PWN, 1973. [4] Biuro Bada OBRUM sp. z o.o. Wyniki bada zespołu zawieszenia. (Materiały własne OBRUM sp. z o.o. niepublikowane), OBRUM sp. z o.o., Gliwice, 2015.

Hydropneumatyczne zawieszenie pojazdu gsienicowego z amortyzacj ciern 55 HYDROPNEUMATIC SUSPENSION OF A TRACKED VEHICLE WITH FRICTION DAMPERS Abstract. The paper presents the concept of a hydropneumatic suspension of a tracked vehicle based on the hydropneumatic cylinder arrangement and friction damper integrated with the suspension arm holder. The purpose, configuration, design of single suspension unit and the kinematics and design concept of the suspension system of a tracked vehicle are discussed. Keywords: suspension, damper, hydropneumatic, tracks, road wheels, traction system.