Przemysaw Simiski
Wojskowy Instytut Techniki Pancernej i Samochodowej
WPYW NIESPRAWNOCI UKADU
HAMULCOWEGO NA ZACHOWANIE SI
POJAZDU SPECJALNEGO W CZASIE
HAMOWANIA AWARYJNEGO W RUCHU
KRZYWOLINIOWYM
Rkopis dostarczono, kwiecie 2013
Streszczenie: Budowa bezpiecznych pojazdów, to jeden z gównych priorytetów Si Zbrojnych. Artyku dotyczy realizacji modelowania i symulacji zachowania pojazdu specjalnego transportera opancerzonego w trakcie hamowania awaryjnego w ruchu krzywoliniowym. Za pomoc zbudowanego modelu pojazdu, w którym uwzgldniono ukad hamulcowy z ABS i EBS, wykonano badania symulacyjne. Badania dotyczyy okrelenie wpywu niesprawnoci ukadu hamulcowego na zachowanie si transportera opancerzonego w ruchu krzywoliniowym.
Sowa kluczowe: transporter opancerzony, modelowanie, symulacja, bezpieczestwo
1. WSTP
Wojskowe pojazdy koowe powinny charakteryzowa si wysokim poziomem wasnoci trakcyjnych. Zdolno do poruszania si z du prdkoci w zmiennych warunkach to jeden z elementów bezpieczestwa onierzy. Niepodanym efektem dynamicznej jazdy moe by utrata statecznoci. Jednym z manewrów, podczas którego moe doj do niebezpiecznego zdarzenia jest ruch krzywoliniowy. W trakcie pokonywania zakrtów z du prdkoci i jednoczesnego hamowania pojazdy koowe s szczególnie naraone na utrat statecznoci. Ponadto pojazdy wojskowe, zwaszcza bojowe s naraone na uszkodzenie ukadu hamulcowego, dlatego dla nich manewr hamowania w ruchu krzywoliniowym moe by szczególnie niebezpieczny.
2. ZAGROENIE BEZPIECZESTWA WOJSKOWYCH
POJAZDÓW KOOWYCH
W odniesieniu do bezpieczestwa pojazdów wojskowych naley wspomnie o koniecznoci przeciwdziaania zagroeniom bojowym i ochronie zaóg z tym zwizan. Zapewnienie optymalnej ochrony zaodze umoliwia wysoki poziom zespou cech pojazdu. Nale do nich: sia ognia (moliwo raenia przeciwnika odpowiednio skutecznymi rodkami ogniowymi), odporno balistyczna i antyminowa (wyraana jakoci opancerzenia), wasnoci trakcyjne (dynamika jazdy, pokonywanie przeszkód terenowych, zwrotno). Dopiero kompleksowy rozwój wspomnianych cech pozwala na osignicie zadowalajcego poziomu bezpieczestwa. Wszelkie dysproporcj, jak np. silne opancerzenie przy niskiej dynamice ruchu, s niepodane i nie gwarantuj bezpieczestwa pojazdów wojskowych, zwaszcza opancerzonych. Bezpieczestwo pojazdów wojskowych naley rozpatrywa w szerszym aspekcie, np.: odpornoci balistycznej, transportowalnoci, urzdze specjalnych, moliwoci pokonywania przeszkód wodnych. O jakoci pojazdu wojskowego (zwaszcza bojowego) decyduj jego gówne cechy, tzn.: sia ognia, ruchliwo i opancerzenie, które w myl zasady acucha powinny by ogniwami o takiej samej wytrzymaoci.
Wród pojazdów naraonych na zniszczenie wraliwych ukadów i systemów, od których jednoczenie wymaga si wysokiego poziomu, wspomnianych, gównych cech, s transportery opancerzone. Oddziaywanie rodków raenia moe doprowadzi do niesprawnoci ukadu hamulcowego. Ponadto bardzo intensywna lub nieprawidowa eksploatacja, moe doprowadzi do przyspieszonego zuycia elementów roboczych. Uznano wobec tego za zasadne przeprowadzenie bada symulacyjnych wpywu niesprawnego ukadu hamulcowego na zachowanie pojazdu w ruchu krzywoliniowym.
3. MODEL POJAZDU
Do bada przygotowano paski model symulacyjny pojazdu czteroosiowego (rys. 1) z wbudowanym pneumatycznym ukadem hamulcowym, w którym ze wzgldów funkcjonalnych mona wyróni siedem modeli czciowych:
1. Model wymuszenia.
2. Model sterowania hamulcami.
3. Model proporcjonalnego zaworu przekanikowego (jeden dla kó przednich i jeden dla kó tylnej osi jezdnej).
4. Model modulatora cinienia ABS wraz ze sterownikiem (jeden dla kadej z czterech grup kó jezdnych).
5. Model mechanizmu hamulcowego (dla kadego koa jezdnego); 6. Model pojazdu.
W modelu pojazdu wyeksponowano te waciwoci, które uznano za szczególnie wane w ruchu opónionym, wywoanym nagym zadziaaniem ukadu hamulcowego, a mianowicie:
parametry masowe pojazdu, w tym masy wózków poszczególnych osi;
masowy moment bezwadnoci kó jezdnych Ii oraz moment bezwadnoci
nadwozia pojazdu wzgldem jego osi poprzecznej (IY);
pooenie rodka cikoci pojazdu (a, b, hW);
parametry fizyczne modelu zawieszenia osi kó jezdnych (kRi, cRi);
parametry fizyczne modelu sprystoci promieniowej ogumienia (kKi, cKi).
Rys. 1. Model symulacyjny – struktura bloków gównych
Ruch poszczególnych bry modelu opisuj równania dla dziesiciu stopni swobody (sze dla nadwozia, po jednym dla osi wózków kó jezdnych oraz dwa stopnie swobody kó jezdnych obracajcych si wokó swoich osi). Wielkoci wejciow do modelu pojazdu jest przebieg wartoci momentu tarcia MHi koa poszczególnych osi jezdnych.
Wyjciem z modelu jest zbiór wielkoci fizycznych opisujcych kinematyk (aP opónienie hamowania, vKi prdkoci obrotowe kó jezdnych) oraz dynamik (Zi
siy nacisku kó jezdnych na podoe) jego ruchu.
Model si stycznych dostarcza informacji o wartociach si w strefie wspópracy ogumionego koa z podoem. W modelu zastosowano algorytm zaproponowany przez Dugoffa, Fenchera, Segela. Niezbdne parametry wymagane w modelu si stycznych przyjto wg danych eksperymentalnych ogumienia stosowanego w pojazdach.
Wymuszeniem dziaajcym na model jest przebieg przemieszczenia pedau hamulca. Przykadow zaleno wykorzystywan do wstpnych bada symulacyjnych w warunkach intensywnego hamowania przedstawiono na rys. 2.
0 1 2 3 4 5 6 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 t [s] PPH [cm]
Rys. 2. Przykadowy przebieg przemieszczenia pedau hamulca (PPH) zrónicowany ze wzgldu na szybko jego narastania (0,2 s, 0,5 s, 1,0 s)
Dodatkowym wymuszeniem „zewntrznym” dziaajcym na model moe by przebieg nierównoci pionowych pochodzcy od drogi (rys. 3).
-0.020 -0.015 -0.010 -0.005 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0 20 40 60 s [m] wys oko [m ]
Rys. 3. Przebieg wartoci pionowych nierównoci drogi
Równania ruchu modelu pojazdu zapisano w trzech prostoktnych, prawoskrtnych ukadach wspórzdnych Oxyz, O1x1y1z1, O2x2y2z2. Podstawowe równania decydujce o
wartoci dynamicznych si pionowych dziaajcych na nadwozie pojazdu obejmuj równania ruchu pionowego nadwozia z zawieszeniem mechanicznym lub hydropneumatycznym. Opis przedstawiono w pracy [4].
W modelu uwzgldniono: waciwoci spryste i tumice zawieszenia hydropneumatycznego. Przy formuowaniu równa matematycznych modelu kolumny zawieszenia hydropneumatycznego, której schemat przedstawiono na rysunku 4, przyjto nastpujce zaoenia i uproszczenia:
lepko, gsto i temperatura cieczy nie ulega zmianom podczas trwania procesu przejciowego,
siy lepkociowego tarcia toka w cylindrze s pomijane z uwagi na ich ma warto,
ciecz jest nieciliwa, a elementy przenoszce cinienie cieczy roboczej s sztywne i nie odksztacaj si pod wpywem ruchu lub zmiany tego cinienia,
Rys. 4. Schemat obliczeniowy kolumny zawieszenia hydropneumatycznego Oznaczenia: 4 - pneumatyczny element sprysty, 5 – membrana, 7 – element tumicy,
8 – cylinder hydrauliczny, 9 – tok, 16 – toczysko
Opis matematyczny modelu kolumny hydropneumatycznej polega na uoeniu równa matematycznych obejmujcych:
równania opisujcych dziaanie elementów ruchomych,
równania strat cinienia przepywu cieczy w elementach hydraulicznych,
równa bilansu chwilowych masowych strumieni cieczy (równania wzów lub równania obwodów).
4. WARIANTY OBLICZE SYMULACYJNYCH
Opracowany model pojazdu z zawieszeniem hydropneumatycznym i ukadem hamulcowym EBS/ABS umoliwia przeprowadzenie oblicze symulacyjnych wg rónych wariantów konfiguracji modelu. W ramach bada moliwe jest take okrelanie wpyw wybranych zmian konstrukcyjnych na zachowanie pojazdu w ruchu: prdkoci pocztkowej jazdy, rodzaju zawieszenia, czasu hamowania, rodzaju nawierzchni, cinienia powietrza w zbiorniku ukadu pneumatycznego, konfiguracji ukadu ABS, liczby hamowanych kó.
W celu pozyskania informacji na temat zachowania pojazdu opancerzonego w ruchu krzywoliniowym przeprowadzono badania symulacyjne wedug okrelonego testu hamowanie awaryjnego w ruchu krzywoliniowym. W tecie symulowano przebieg procesu hamowania awaryjnego od prdkoci pocztkowej 80 km/h do zatrzymania si na nawierzchniach: beton (μ0=0,9), mokry asfalt (μ0=0,5), lód (μ0=0,2). Przebieg hamowania
rozwaano dla ukadu hamulcowego z wczonym ABS lub wyczonym oraz dla dwóch stanów sprawnoci ukadu hamulcowego: sprawny tj. 8 kó hamowanych, czciowo niesprawny tj.4 koa tylne hamowane (ukad hamulcowy kó pierwszej i drugiej osi jezdnej niesprawny, ukad hamulcowy kó trzeciej i czwartej osi jezdnej sprawny). Nominalne wartoci parametrów modelu odpowiadaj pojazdowi Rosomak. Ponadto moliwy jest zmienny zakres wprowadzanych zmian konstrukcyjnych, który obejmuje nastpujce
parametry pojazdu: masa, masowe momenty bezwadnoci bryy nadwozia, zmiana pooenia rodka masy.
5. WYNIKI BADA
5.1. BADANIA NA NAWIERZCHNI SUCHEJ
Wyniki bada zostay zestawione na licznych rysunkach przedstawiajcych charakterystyki czasowe zmiany parametrów w trakcie manewru. Nawierzchnia zostaa scharakteryzowana poprzez wspóczynnik przyczepnoci równy 0,9. Na rysunkach 5 7 przedstawiono charakterystyki czasowe prdkoci linowej kó na poszczególnych 4 osiach pojazdu dla trzech wariantów: sprawny ukad hamulcowy oraz wczony ABS (rys. 5); sprawny ukad hamulcowy oraz wyczony ABS (rys. 6); niesprawny ukad hamulcowy oraz wyczony ABS (rys. 7). Dla tosamych wariantów na rysunkach nr 8 10, przedstawiono charakterystyki czasowe przyspieszenia wzdunego oraz poprzecznego; na rysunkach nr 11 – 13 charakterystyki czasowe reakcji pionowych od podoa; na rysunkach 14 – 16 charakterystyki czasowe przebiegu momentu hamujcego na koach podczas hamowania.
Rys. 5, 6, 7. Charakterystyki czasowe prdkoci liniowej na koach poszczególnych osi podczas
hamowania na uku drogi – nawierzchnia betonowa
Rys. 8, 9, 10. Charakterystyki czasowe przyspieszenia wzdunego oraz poprzecznego w rodku masy pojazdu podczas hamowania na
uku drogi – nawierzchnia betonowa
0 20 40 60 80 100 120 140 160 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 t [s] Zk1,2,3,4 [daN] 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 t [s] Zk1,2,3,4 [daN] 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 t [s] Zk1,2,3,4 [daN]
Rys. 11, 12, 13. Charakterystyki czasowe reakcji pionowych od podoa podczas
hamowania na uku drogi nawierzchnia
0 5 10 15 20 25 30 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 t [s] Mh1,2,3,4 [kNm] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 t [s] Mh1,2,3,4 [kNm] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 t [s] Mh1,2,3,4 [kNm]
Rys. 13, 14, 15. Charakterystyki czasowe przebiegu momentu hamujcego na koach
podczas hamowania na uku drogi – nawierzchnia betonowa
Rezultaty bada dla nawierzchni betonowej pozwoliy stwierdzi, e najwiksz intensywnoci hamowania charakteryzuje si wariant nr 2 (sprawne hamulce, brak ABS). Wystpio najwiksze opónienie i zarazem wystpi najwyszy moment hamujcy. Przy tym dochodzi do zablokowania kó osi 3 i 4. Jednake tylko w wariancie nr 1 pojazd zachowuje stateczno. W wariancie nr 2 pojazd nie kontynuuje zadanego toru jazdy po uku, przechodzi w ruch opóniony prostoliniowy. W wariancie nr 3, w którym pracuj tylko hamulce 3 i 4 osi dochodzi do odcienia kó strony wewntrznej. Pojazd znajduje si na granicy oderwania kó od podoa zacienia tor jazdy.
5.2. BADANIA NA NAWIERZCHNI MOKREJ
W kolejnym etapie bada modyfikujc wspóczynnik przyczepnoci symulowano nawierzchni mokr. Na rysunkach 16 18 przedstawiono charakterystyki czasowe prdkoci linowej kó na poszczególnych 4 osiach pojazdu dla wymienionych trzech wariantów. Dla tosamych wariantów na rysunkach nr 19 21, przedstawiono charakterystyki czasowe przyspieszenia wzdunego oraz poprzecznego; na rysunkach nr 22 – 24 charakterystyki czasowe reakcji pionowych od podoa; na rysunkach 25 – 27 charakterystyki czasowe przebiegu momentu hamujcego na koach podczas hamowania.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 t [s] V1,2,3,4 [km/h] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 t [s] V1,2,3,4 [km/h] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 t [s] V1,2,3,4 [km/h]
Rys. 16, 17, 18. Charakterystyki czasowe prdkoci liniowej na koach poszczególnych
osi podczas hamowania na uku drogi – nawierzchnia mokra -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 t [s] ax ay [m] 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 skrt koa kierow. [deg] -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 t [s] ax ay [m] 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 skrt koa kierow. [deg] -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 t [s] ax ay [m] 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 skrt koa kierow. [deg]
Rys. 19, 20, 21. Charakterystyki czasowe przyspieszenia wzdunego oraz poprzecznego
w rodku masy pojazdu podczas hamowania na uku drogi – nawierzchnia mokra
0 20 40 60 80 100 120 140 160 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 t [s] Zk1,2,3,4 [daN] 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 t [s] Zk1,2,3,4 [daN] 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 t [s] Zk1,2,3,4 [daN]
Rys. 22, 23, 24. Charakterystyki czasowe reakcji pionowych od podoa podczas hamowania na uku drogi – nawierzchnia
mokra 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 t [s] Mh1,2,3,4 [kNm] 0 5 10 15 20 25 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 t [s] Mh1,2,3,4 [kNm] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 t [s] Mh1,2,3,4 [kNm]
Rys. 25, 26, 27. Charakterystyki czasowe przebiegu momentu hamujcego na koach
podczas hamowania na uku drogi – nawierzchnia mokra
Badania na nawierzchni mokrej uwypukliy tendencje w zachowaniu si pojazdu na nawierzchni suchej. Najszybciej do zatrzymania pojazdu dochodzi w wariancie nr 2. To i w tym wypadku efekt najwyszej wartoci momentu hamujcego, który tym razem doprowadza do zablokowani kó 2, 3 i 4 osi. W efekcie blokowania kó pojazd rozpoczyna ruch prostoliniowym, mimo skrconych kó kierowanych. W wariancie nr 3 intensywno hamowania jest najmniejsza. Mimo niskiej wartoci momentu hamujcego dochodzi do zablokowania kó ostatniej osi. Pojazd przechodzi w nadsterowno, zacieniajc tor jazdy, co doprowadza do zmiany kierunku przyspieszenia poprzecznego i znacznej rónicy w reakcjach od podoa midzy stronami pojazdu.
5.3. BADANIA NA NAWIERZCHNI OBLODZONEJ
Obnienie wspóczynnika przyczepnoci do wartoci 0,2 pozwolio prowadzi badania symulacyjne równowane warunkom nawierzchni oblodzonej. Na rysunkach 28 30 przedstawiono charakterystyki czasowe prdkoci linowej kó na poszczególnych 4 osiach pojazdu dla wymienionych trzech wariantów. Dla tosamych wariantów na rysunkach nr 31 33, przedstawiono charakterystyki czasowe przyspieszenia wzdunego oraz poprzecznego; na rysunkach nr 34 – 36 charakterystyki czasowe reakcji pionowych od podoa; na rysunkach 37 – 39 charakterystyki czasowe przebiegu momentu hamujcego na koach podczas hamowania.
Rys. 28, 29, 30. Charakterystyki czasowe prdkoci liniowej na koach poszczególnych
osi podczas hamowania na uku drogi – nawierzchnia oblodzona
Rys. 31, 32, 33. Charakterystyki czasowe przyspieszenia wzdunego oraz poprzecznego w rodku masy pojazdu podczas hamowania na
uku drogi– nawierzchnia oblodzona
0 20 40 60 80 100 120 140 160 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 t [s] Zk1,2,3,4 [daN] 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 t [s] Zk1,2,3,4 [daN] 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 t [s] Zk1,2,3,4 [daN]
Rys. 34, 35, 36. Charakterystyki czasowe reakcji pionowych od podoa podczas hamowania na uku drogi – nawierzchnia
0 2 4 6 8 10 12 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 t [s] Mh1,2,3,4 [kNm] 0 2 4 6 8 10 12 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 t [s] Mh1,2,3,4 [kNm] 0 2 4 6 8 10 12 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 t [s] Mh1,2,3,4 [kNm]
Rys. 37, 38, 39. Charakterystyki czasowe przebiegu momentu hamujcego na koach
podczas hamowania na uku drogi – nawierzchnia oblodzona
Ruch na nawierzchni oblodzonej skutkowa wysok aktywnoci ukadu ABS. Jedynie w tym wariancie pojazd zachowa krzywoliniowy tor jazdy. W wariancie nr 2 dochodzi do blokowania kó 2, 3 i 4 osi pojazd od pocztku traci statecznoci i porusza si ruchem prostoliniowym, o czym wiadczy warto przyspieszenia poprzecznego bryy nadwozia równa 0. W przypadku niesprawnego ukadu hamulcowego po 3 sekundach ruchu dochodzi do zarzucenia na bok i niekontrolowanego polizgu kó.
6. PODSUMOWANIE
Podczas hamowania awaryjnego, dla zestawu danych adekwatnych dla pojazdu klasy Rosomak, daj si zauway, e niedopuszczenie do zablokowania kó oraz sprawno ukadu hamulcowego wpywaj na ruchliwo pojazdu. W tym wypadku jest to zdolno do zatrzymania pojazdu na zadanym krzywoliniowym torze jazdy. Moe to mie znaczenie w sytuacji omijania przeszkody i dynamicznej jazdy w warunkach zagroenia bojowego. Rola sprawnego ukadu hamulcowego nabiera znaczenia wraz z obnieniem wspóczynnika przyczepnoci. Blokowanie kó w ruchu krzywoliniowym przyczynia si do zwikszenia tendencji do przechodzenia w prostoliniowy tor jazdy lub polizg boczny. Wyniki bada symulacyjnych mog stanowi podstaw do podjcia decyzji o stosowaniu ABS, regulacji jego modulatora, czy tez doboru korektora siy hamowania pomidzy osiami. W oparciu o wyniki mona budowa programy szkoleniowe
(scenariusze) dla kierowców pojazdów specjalnych, jeli ich szkolnie nie zawiera elementów techniki jazdy w sytuacjach krytycznych.
Bibliografia
1. Maclaurin B. Progress In British Tracked Vehicle Suspension Systems SAE Technical Paper Series Paper no. 830442. 1983
2. Miller L.R, Nobles C.M. The Design and Development of a Semi-Active Suspension for a Military Tank, SAE Technical Paper Series Paper no. 881133. 1988.
3. Simiski P. Zwrotno pojazdów. Wydawnictwo Bel-Studio Warszawa 2012.
4. Simiski P., Metodyka okrelania wpywu wybranych zmian konstrukcyjnych na bezpieczestwo ruchu wojskowych pojazdów koowych, Rozprawy nr 152, Wydawnictwo Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego, Bydgoszcz 2011.
5. Wicher J. Bezpieczestwo samochodów i ruchu drogowego. WKi Warszawa 2004.
INFLUENCE FAILURE IN BRAKING SYSTEM FOR BEHAVIOUR SPECIAL VEHICLE DURING EMERGENCY BRAKING IN CURVLINEAR MOTILITY
Summary: Construction of modern land-based platforms is one of the main priorities of the Armed Forces. The article concerns the implementation of modeling and simulation of behavior special vehicles during braking. With the help of the constructed model of the braking system, which incorporates ABS and EBS systems simulation tests were performed. Studies related to the effect of the brake system failure on the behavior of the armored personnel carrier.
