Vidareutveckling av splitterskyddat styrdon till BvS10

Karlstads universitet 651 88 Karlstad Tfn 054-700 10 00 Fax 054-700 14 60

Information@kau.se www.kau.se Fakulteten för teknik- och naturvetenskap

Mattias Karlsson

Helén Styffe

Vidareutveckling av splitterskyddat

styrdon till BvS10

Further development of a splinter protected steering

device to BvS10

Master Thesis 30 hp

Master of Science Program in Mechanical Engineering with

major in Material Science

Datum/Termin: 10-03-24

Supervisor: Fredrik Thuvander Examiner: Jens Bergström

2

Förord

Detta examensarbete har utförts som en avslutande del av utbildningen Civilingenjör, bred ingång, med inriktning mot maskin- och materialteknik vid Karlstads universitet. Arbetet har utförts under perioden oktober 2009 till mars 2010 på BAE Systems Hägglunds AB, Örnsköldsvik och motsvarar 30 hp.

Nedanför följer en kort redogörelse av arbetsfördelningen av vårt gemensamma examensarbete. Vi startade examensarbetet tillsammans med att studera föregående examensarbete ”Utveckling av splitterskyddat styrdon till BvS10+”. Efter detta gjordes på varsitt håll en litteraturstudie om drivknutar och drivaxlar. Sedan sammanställde vi och utvärderade vad vi kommit fram till. Mattias kontaktade företag och började sedan rita upp drivknutar i Oden genom CATIA V5 och upptäckte därmed även problem. Helén startade då arbetet av tätningar efter idégenerering. Hon ritade upp dessa tillsammans med Oden genom CATIA V5. Hon kontaktade företag som arbetar med tätningar och då i synnerhet företag som tillverkar och säljer bälgar för förståelse om problemen som uppstår. Hon gjorde därefter ett materialval av dessa i Edupack 2009 och via kontakter.

Vi kontaktade tillsammans Erik E och Ulf S på Hägglunds för diskussion kring vad vi kommit fram till angående drivknutspaketen och vad som behöver modifieras på Oden för att de ska kunna tillämpas.

Vi startade sedan att gemensamt titta på idéer om styrcylindrarnas placering. Mattias ritade upp dessa tillsammans med Oden och BvS10 i CATIA V5. Vi tittade även efter ett nytt koncept där styrcylindrarna inte påverkar framvagnen och kom fram till SEKE som Mattias ritade upp. Medan Mattias gjorde detta arbetade Helén med hur slangar skulle dras genom Oden och vad som kanske måste modifieras.

Litteraturstudien om vapenverkan startade vi tillsammans. Efter artikelsök och studerande av ämnet delade vi upp det i 2 områden. Helén koncentrerade sig på vapen och dess verkan medan Mattias koncentrerade sig på material som kan skydda mot detta.

Helén sammanställde rapporten, skrev sammanfattning, företagspresentation, metod, inledningsdelen, första delen av litteraturstudien fram t.o.m. skyddsmaterial, utvärdering av drivknutar, tätningsdelarna, slangarna och materialval.

Mattias skrev om andra delen av litteraturstudien: skyddsmaterial, drivknutarna, styrcylindrarnas placering och om Seke.

3 Tillsammans skrev vi förslag på fortsatt arbete och diskussion kring de olika delarna.

Det ska tilläggas att vi har gjort det mesta tillsammans, förstudier och diskussioner kring de olika delarna, för att driva examensarbetet framåt.

Vi vill tacka vår handledare på BAE Systems Hägglunds AB, Max Thorén för hjälpen under arbetets gång och för svar på alla frågor som kommit upp.

Vi vill också tacka vår handledare Fredrik Thuvander och vår examinator Jens Bergström på Karlstads universitet för värdefull hjälp med rapporten.

Karlstad, mars 2010.

Mattias Karlsson och Helén Styffe

4

Sammanfattning

Fokuset på splitterskydd av styrdon har ökat när bandvagnar används i oroshärdar. Vagnarna skall kunna köras från plats även om det har blivit träffat av splitter från exempelvis minor.

Detta examensarbete är en fortsättning på ett tidigare examensarbete, av ett s.k.

”splitterskyddat styrdon” vid BAE Systems Hägglunds AB. Arbetets syfte är att vidareutveckla ett splitterskyddat styrdon för framtida midjestyrda fordon. En litteraturstudie om vapenverkan har genomförts för bakgrund.

Arbetet av styrdonet delades in tre arbetsområden; drivknutspaket, tätning och val av styrcylindrars position, styrgeometri.

Efter problemförståelsefasen skapades olika koncept för de olika områdena. Koncepten ritades upp i CATIA V5 och sammanställdes sedan med befintlig CAD-sammanställning av styrdon Oden och BvS10. Kontakt togs internt men även med andra företag för att diskutera dimensioner och synpunkter.

Materialval har givits för bälgmaterialet. I tidigare arbete har material av grundkonstruktion och skydd redan valts.

Resultatet för drivlinan blev två förslag som skulle fungera men som kräver modifikationer av Oden. Det första förslaget är en drivaxel med två stycken centrerade dubbelknutar. Dessa knutar klarar en vinkel upp till 42 grader och drivknuten i Oden kommer aldrig utsättas för en större vinkel. Dessutom genererar drivknuten konstant hastighet då det sitter två knutar i den.

Knutarna klarar livslängdberäkningen galant men Oden kommer att behövas breddas då knuten genar. Det andra förslaget är en drivaxel med ocentrerad dubbelknut med stödlagring samt delbar kardanaxel. Denna typ av knut är vanligt förekommande i styrningar på fordon där det är drivning på framhjulen då knutarna klarar ända upp till 55 grader utan att påverka driften. Med detta drivpaket behöver Oden inte breddas. En nackdel är vikt och kostnad för stödlagring på båda sidor för in- och utgående axel för att axeln ska ligga i ett plan. Delning av kardanaxeln sker via ett bomförband med en monterad fjäder. Viktökning av styrdonet p.g.a. breddning eller stödlagring väger ungefär lika mycket. Det som får avgöra är kostnaden och då monteringskostnaden för den ocentrerade dubbelknuten med stödlagring är avsevärt högre så rekommenderas det första förslaget med två stycken centrerade dubbelknutar.

Resultatet för tätning blev även där två förslag med helt tätt styrdon; en inre och en yttre tätning. Den yttre tätningen valdes att gå vidare med p.g.a. enklare montering. Tätningen skulle bestå av plattjärn, plåtar, packningar, bälgar, slangklämmor, skruvförband och en

5 skopa. Problemet med dessa tätningar är att de i princip är oskyddade. För att få den yttre tätningen att fungera måste den nedre styrlänksgeometrin fram ändras. Ett problem är bälgarnas utrymme mellan torn och styrlänk då det inte finns plats för deras slaglängd att vikas ihop och klara en tilt på 15 grader utan att material kommer i kläm.

Resultaten för styrcylindrarnas placering för Oden blev att placera styrcylindrarna innanför eller utanför chassiet med modifierat motordike i framvagnen. Momentkurvorna för de olika placeringarna är i stort sett likadana. Problemet med styrcylindrarna innanför chassiet är att komponenter behöver omplaceras samt att de tätande bälgarna blir en svag länk för fordonet då det behöver vara amfibiskt. Att placera styrcylindrarna utanför blir en tyngre lösning p.g.a.

skyddskåporna. För att undvika kontakt med framvagnen togs ett nytt koncept fram, Seke, där styrcylindrarna placerades inne i styrdonet.

Resultaten för bälgmaterialet delades upp i två olika delar, det teoretiska och det som företag rekommenderade. I den teoretiska delen valdes PVC(60A) p.g.a. dess låga E-modul och tillräckligt höga sträckgräns. Dessutom hade den låg kostnad och låg vikt. Den klarade dessutom all världens klimat och söt- och saltvatten. I den rekommenderade delen av företag rekommenderades Hypalon, Neopren och Silikon. I framtiden rekommenderas tester av dessa material för se deras motstånd till bl.a olja och nötning.

6

Abstract

The focus on splinter protection on steering devices has increased when the terrain vehicles are deployed at hotspots. The terrain vehicles shall be able to be driven from site even if the vehicles have been hit by splinter from mines. This master thesis is the continuing of another thesis with a so-called ”splinter protected steering device” to Bvs10 at BAE Systems Hägglunds AB.

The purpose of this thesis is to further develop the splinter protected steering device for middle-steered vehicles. A literature study of arms has been carried out for background to the controlling factor.

The master thesis is divided into three work areas; driveshaft, sealing and choice of positioning for the hydraulic cylinders.

Concepts were developed after gaining an understanding to the problems. The concepts were drawn in CATIA V5 and compiled with existing CAD-compilation for the steering device’s Oden and Bvs10. Contact was made within Hägglunds but also with other companies to discuss dimensions and to get some ideas.

In the earlier master thesis appropriate material choice for the basic design and protection already had been selected. In this thesis the material for the bellows was selected.

The result for the power train resulted in two proposals that would work, but they will need modifications of Oden. The first proposal is a driving axle with two centered double knots.

These knots would pass an angle up to 42 degrees and the knot of Oden will never be exposed to a greater angle. In addition, the driving knot device generates constant speed since it

consists of two knots. The knots life calculation is extremely good but Oden will have to be widened as the knot skitter. The second proposal is a driving axle with acentric double knots with arbor support and a sharable shaft axis. This type of junction is commonly used in control systems on vehicles with traction on the front wheels as the knots work up to 55 degrees without affecting operation. Oden will not need to be broadened with this driver package. A disadvantage is the weight and cost of the arbor supports on both sides for input and output shaft of the axis while it has to lie in a plane. The sharing of the shaft axis will be through a spline joint with a mounted spring. The weight of the steering device because of the widening or arbor support will land at roughly the same weight as the first proposal. The cost and the mounting cost of the acentric double knots with arbor support are substantially higher, therefore the proposal with two centered double knots is recommended.

7 Two proposals are made with closed steering device; one internal and one external sealing.

The outer seal was selected due to easier assembly. The seal would consist of flat bars, plates, gaskets, bellows, hose clamps, screw joints and a bucket. The problem with these seals is that they in principle are unprotected. To get the external seal to work, the lower steering link device geometry forward must change. Another problem is the bellow space between the tower and the steering link device when there isn't enough room for their length of stroke to get folded and cope with a tilt of 15 degrees without material getting caught.

Allocating the hydraulic steering cylinder of Oden positions the steering cylinders inside or outside the chassis with modified chassis at the front cabin. The torque curves for the various positions are about the same. The problems with the steering cylinders within chassis are that components need to be redeployed and the sealing bellows becomes a weak link for the vehicle when it needs to be amphibious. By position the steering cylinders outside the chassis results in a heavier solution because of protection casings. In order to avoid contact with the front cabin a new concept was found, Seke, where the steering cylinders was placed inside the steering device.

The results of bellow materials was split into two different suggestions, one theoretical and secondly as enterprises recommended. In the theoretical part PVC (60A) was selected because of its low Young’s modulus and sufficiently high yield strength. In addition, it had low cost and low weight. It also managed climate and fresh and salt water. The recommended materials of the corporations were Hypalon, Neoprene and Silicone. In the future, tests of these materials are recommended for their resistance to among others oil and abrasion.

8

Innehåll

1. Inledning ... 11

1.1 Bakgrund/Jobbeskrivning ... 11

1.2 Syfte ... 11

1.3 Mål ... 11

1.4 Förstudie/Teori ... 11

1.5 Kravspecifikation ... 12

1.6 Avgränsningar ... 13

1.7 Resumé ... 13

1.7.1 Drivlina ... 13

1.7.2 Tätning av styrdon ... 13

1.7.3 Styrcylindrarnas placering ... 13

2. BAE Systems Hägglunds AB ... 14

2.1 Historia ... 14

2.2 Produkter ... 14

2.2.1 BV-familjen ... 15

2.2.2 CV-familjen ... 16

2.2.3 SEP ... 17

3. Litteraturstudie ... 18

3.1 Vapenverkan ... 18

3.1.1 Hot och hotbild ... 18

3.1.2 Verkansformer och ammunitionstyper ... 18

3.1.3 Allmän verkan ... 22

3.2 Skyddsmaterial ... 24

3.2.1 Stål ... 24

3.2.2 Titan ... 25

9

3.2.3 Aluminium ... 26

3.2.4 Fiberkompositer ... 26

3.2.5 Keramer och Kerampansar ... 28

3.3 Innovativa skyddsmaterial ... 29

3.3.1 Nanostrukturella metalliska material ... 29

3.3.2 Amorfa metaller ... 29

3.3.3 Kerambaserat nanomaterial ... 29

3.4 Jämförelser mellan skyddsmaterial ... 30

4. Metod ... 32

5. Koncept ... 33

5.1 Drivlina ... 33

5.1.1 Dagens styrdon och drivlina ... 33

5.1.2 Centrerad dubbel kardanknut + Centrerad dubbel kardanknut ... 34

5.1.3 CV-knut + CV-knut ... 34

5.1.4 Ocentrerad dubbel kardanknut + kardanaxel ... 35

5.1.5 Utvärdering av koncept till drivlina ... 36

5.2 Tätning av styrdon ... 37

5.2.1 Inre tätning av styrdon ... 37

5.2.2 Yttre tätning av styrdon ... 38

5.3 Styrcylindrarnas placering ... 39

5.3.1 Innanför chassiet med modifierad botten och omplacering av komponenter ... 39

5.3.2 Utanför chassi med modifierad botten ... 39

5.3.3 Helt utanför chassiet ... 40

5.4 Styrcylindrarna inbyggda i styrdonet, Seke ... 40

6. Resultat ... 41

6.1 Drivlina ... 41

6.1.1 Drivaxel med två stycken centrerade dubbelknutar ... 41

10

6.1.2 Ocentrerad dubbelknut med stödlagring samt delbar kardanaxel ... 44

6.1.3 Delning av kardanaxel ... 48

6.2 Tätning av styrdon ... 49

6.2.1 Inre tätning av styrdon ... 49

6.2.2 Yttre tätning av styrdon ... 50

6.2.3 Vald tätning ... 52

6.3 Styrcylindrarnas placering ... 53

6.3.1 Innanför chassiet med modifierad botten ... 53

6.3.2 Utanför chassi med modifierad botten ... 56

6.3.3 Styrcylindrarna inbyggda i styrdonet ”Seke” ... 58

6.3.4 Styrmoment ... 60

6.4 Elkablar, vatten- och hydraulslangar samt bränsle- och bromsledningar ... 61

7. Materialval ... 62

7.1 Bälgar ... 62

7.1.1 CES Edupack 2009 ... 62

7.1.2 Material Företag ... 67

8. Förslag på fortsatt arbete ... 69

9. Diskussion ... 70

9.1 Drivlina ... 70

9.2 Tätning av styrdon ... 72

9.3 Styrcylindrarnas placering ... 75

9.4 Elkablar, vatten- och hydraulslangar samt bränsle- och bromsledningar ... 76

9.5 Materialval ... 76

10. Referenser ... 77

11. Bilagor ... 81

11

1. Inledning

1.1 Bakgrund/Jobbeskrivning

BvS10 är ett terrängfordon vilket används i oroshärdar i t.ex. Afghanistan, där fokuset blir allt högre på skydd. Kunder efterfrågar mer skyddade styrdon för att vagnarna skall kunna köras från plats även om det blir träffat av t.ex. splitter från minor. Detta examensarbete är en fortsättning på ett tidigare examensarbete, med ett Splitterskyddat styrdon. Detta splitterskyddade styrdon har en kraftigare konstruktion och ett högre skydd kring den del som förbinder fram- och bakvagn samt sköter styrningen av fordonet.

1.2 Syfte

Arbetets syfte är att vidareutveckla ett splitterskyddat styrdon för framtida midjestyrda fordon.

1.3 Mål

Arbetet åt BAE Systems Hägglunds AB innefattar konstruktion och dimensionering av specifika detaljer på patentsökt splitterskyddat styrdon. Dessa detaljer skall följa given kravspecifikation, 1.5. Målet är därmed att ge underlag för en närliggande framtida produktion och produktionsberedning.

1.4 Förstudie/Teori

En litteraturstudie om vapenverkan har genomförts för bakgrund.

12 1.5 Kravspecifikation

Kriterie

nr Fas/Aspekt Kriterium

Krav=K Önskemål=Ö (Graderat 1-5

där 5 är viktigast)

Funktionellt=F Begränsning=B

1 Alstring/Process

Hela styrdonet skall klara

lastfall [1, sid 59-60] K B

2 Alstring/Process

Styrdonet skall vara möjligt att montera på BvS10:s kaross, eventuellt med mindre

modifieringar. K F

3 Alstring/Process

Styrmekanismen skall inte

påverka framvagnen. Ö.4 F

4 Alstring/Miljö 5 Alstring/Människa 6 Alstring/Ekonomi 7 Framställning/Process 8 Framställning/Miljö 9 Framställning/Människa 10 Framställning/Ekonomi 11 Avyttring/Process

12 Avyttring/Miljö

Bibehålla eller minska egenvikten jämfört med

BvS10:s styrdon. Ö.4 B

13 Avyttring/Människa Delbar med snabbkoppling K B

14 Avyttring/Ekonomi

15 Brukning/Process

Bibehålla BvS10:s samtliga frihetsgrader gällande styrdon och styrmekanism o Sväng ± 45º

o Främre tilt ± 15º o Bakre tilt ± 15º

o Roll ± 45º K F

16 Brukning/Process

Drivlinan ska klara 47 graders vinkel vid placering av drivknut

i krysspunkt. K F

17 Brukning/Miljö

Alla delar skall klara ett klimat

mellan -46°C och +49°C K B

18 Brukning/Miljö

Styrdon + vagnarna skall vara

helt tät från vatten och smuts Ö/K B

19 Brukning/Människa

Stå emot 7,62 NATO Ball på 0-

avstånd K F

20 Brukning/Ekonomi

Utmattningskrav (standard): 20

års livslängd och 200 000 km Ö.3 B

21 Eliminering/Process

Minimera och underlätta

underhåll Ö.3 B

22 Eliminering/Miljö 23 Eliminering/Människa 24 Eliminering/Ekonomi

13 1.6 Avgränsningar

Specifika detaljer att undersöka:

 Välja drivknutspaket till styrdonet.

 Täta styrdonet så det blir helt smuts- och vattentätt.

 Bestämma styrcylindrarnas position.

 Materialval till bälg.

Arbetet anses avslutat då datormodeller är skapade och material valts. Arbetet innefattar inte skapandet av ritningar, ingående detaljer behöver därför inte toleranssättas. Det patentsökta styrdonets helhetskoncept gällande konstruktion kommer inte att ändras på, förutom vid koncept av styrcylindrarnas position.

1.7 Resumé 1.7.1 Drivlina

Dimensionera drivpaket genom styrdonet.

1.7.2 Tätning av styrdon Konstruera tätning för styrdon.

1.7.3 Styrcylindrarnas placering

Utvärdera lämplig placering för styrcylindrar.

14

2. BAE Systems Hägglunds AB

Hägglund & Söner grundades 1899 som en snickeriverkstad som tillverkade möbler i Örnsköldsvik av Johan Hägglund. Företaget växte senare till en av Norrlands största verkstadskoncerner, 1924 startades tillverkning av bl.a. bussar, lyftverktyg och lastmaskiner och 1932 startades även tillverkning av spårvagnar och senare också flygplan.

År 1972 köptes företaget upp av ASEA, Allmänna Svenska Elektriska AB, och blev indelad till gruppen Vehicle. Vehicle såldes 1997 till det brittiska bolaget Alvis som i sin tur blev uppköpta av BAE Systems, en sammanslagning av British Aerospace (BAe) och Marconi Electronic Systems (MES), 2006.

Företaget heter numera BAE Systems Hägglunds.

BAE Systems Hägglunds är nu en av världens ledande tillverkare av splitterskyddade bandvagnar och stridsfordon som t.ex. BvS10 och stridsfordon 90.

Företaget har tillsammans med FMV, Försvarets materialverk, arbetat med en utveckling av en nyfordonsfamilj s.k. SEP, Splitterskyddad EnhetsPlattform. Samarbetet startade 1994 men 2008 avbröt FMV sin fortsatta utveckling. Företaget har sedan dess fortsatt med egna medel att utveckla den hjulbaserade versionen av fordonet.

2.2 Produkter

BAE Systems har 3 olika fordonsfamiljer:

 BV

 CV

 SEP

15 2.2.1 BV-familjen

BV står för bandvagn och de allterrängsfordon som tillhör den här kategorin är Bv206S och BvS10.

Bv206S är avsedd att användas för världsomspännande kombinationsuppdrag som fredsframtvingande, fredsbevarande och humanitära bistånds program. Detta är fullt möjligt p.g.a. dess enastående prestanda och körkapacitet. Fordonet har hög tillförlitlighet och låga underhållskostnader. Fodonet är utformat för lufttransport och kan göras amfibisk med mindre förberedelse. Den kan transportera 12 stycken krigsutrustade soldater.

Figur 1a) Bv206S Figur 1b) BvS10

BvS10 är ett större fordon med en lastförmåga på 3-5 ton. Den har samma överlägsna mobilitet i tuff terräng som Bv206S, inkluderad amfibisk funktion. Den är byggd för högsta nivån av taktisk och strategisk mobilitet. Olika modulsystem som tillägg av pansar, vapenmonteringar och lastplattformar ingår i designen av fordonet för att möta olika kunders krav. Fordonet används bl.a. till transport av trupp, ambulans och reparationsfordon.

16 2.2.2 CV-familjen

CV är Hägglunds benämning för stridsfordon.

CV90 är ett allterrängsfordon som har det mest avancerade överlevnadskittet tillgängligt och är det mest moderna pansarfordonet i 25-35 tons klassen. Fordonet ger skydd mot RPG-7 och mot avancerade stridsvagnsminor. Fordonet har en trupphytt som ger utrymme för en besättning på åtta man och är utrustad med kollektiva och individuella NBC skydd. Med dess låga och kompakta struktur minimeras upptäckt av radar och IR och därmed ökar dess överlevnadsförmåga.

CV90 har även 5 familjemedlemmar för att passa olika länders behov:

o CV9030 o CV9035 o CV90120 o CV90ARV o CV90COM

Figur 2a) Stridsfordon 90 Figur 2b) AMOS monterat på CV90

17 2.2.3 SEP

SEP’s, splitterskyddad enhetsplattform, innovativa och avancerade design är baserad på principer som gemensamhet, flexibilitet och uppgraderingsmöjligheter. SEP’s modulsystem tillåter konvertering från ett fordon till ett annat på krigsskådeplatsen. SEP kan ersätta pansarfordon som personaltransportörer, allterrängsfordon, reparations- och återställningsfordon, ambulanser och lätta stridsfordon.

SEP finns i 3 olika utföranden med:

o Bandvagn o 6x6 hjul o 8x8 hjul

Figurer 3a) - 3c) visar SEP med olika hjul- och bandkonfigurationer

18

3. Litteraturstudie

3.1 Vapenverkan 3.1.1 Hot och hotbild

De tänkbara vapenverkanshot som finns mot personal och materiel är biologiska, kemiska, nukleära, elektromagnetiska och konventionella. I detta arbete avgränsas analysen helt till de vedertagna d.v.s. konventionella hot då dessa är mest realistiska att anta som hotbild för ett styrdon. Fokus av de konventionella hoten har lagts på projektiler (handburna vapen), då framförallt finkalibrig, samt penetration av splitter från t.ex. briserade granater. En indelning av dessa presenteras i tabell 1.

Tabell 1 Indelning och fokus av konventionella hot.

Projektiler

Finkaliber Mellankaliber (Grovkaliber) Splitter

Naturligt fragmenterad Förfragmenterad eller styrd

Hotbilden av skydd beror till stor del på i vilken miljö, plats, typ av konflikt m.m., i vilket skyddet skall verka.

Stridsfordon har begränsad skyddsnivå, uthållighet och kan endast ge vissa delar av ett förbands personal skydd. Att stridsfordonet är ett rörligt objekt ger det dock ett visst skydd.

Det dimensionerande vapenhotet vid internationella insatser mot ”Oden” och andra stridsfordons styrdon:

 Splitter från artilleri- och granatkastareld

 Finkalibrig eld från prickskyttar

3.1.2 Verkansformer och ammunitionstyper

När det gäller hotbilden och kravprofilen för ett splitterskyddat styrdon var det av intresse med denna studie att göra en översiktlig genomgång av olika ammunitionstyper och verkansformer.

19 3.1.2.1 Finkalibriga projektiler

Finkalibriga vapen kan vara allt från pistoler och gevär till tunga kulsprutor. Finkalibriga projektiler har en kaliber som är mindre än 20 mm. Ursprungligen användes finkalibrig ammunition i huvudsak mot oskyddad trupp och obepansrade fordon. Kraven på finkalibriga projektilers förmåga att slå igenom skydd har ökat då skyddsförmågan blivit högre hos både trupp och fordon. Behovet av förstärkta skydd har ökat i takt med utvecklingen av nya ammunitionstyper med ökad penetrationsförmåga. Detta har medfört allt större problem med ökad vikt och behovet av alternativa material och skyddslösningar har ökat.

Projektiler gjorda av bly deformeras vid anslag mot hårda material. Med modernt pansarstål skyddar man sig mot denna typ. Utvecklingen av projektiler har därmed gått från kärnor av bly till hårt stål men även hårdmetall som volframkarbid för att slå igenom pansarstålen.

Genomslagsförmågan i ett skyddsmaterial beror bl.a. på projektilens kaliber, dess utskjutningshastighet samt projektilkärnans utformning och dess material. [2]

Figur 4 Projektilexempel i kaliber 7,62x51 mm [3]

Ammunitionen i kalibern 7,62x51 mm används exempelvis till svenska AK4 och KSP58.

Projektilerna har en massa på 7-9 gram och har en utgångshastighet på 800-950 m/s.

Ammunition av kalibern 5,56 mm har en projektil med mindre massa, 3,5-4 gram, men med större utgångshastighet, 900-1000 m/s, jämfört med ammunition i kalibern 7,62 mm. Denna ammunition används bl.a. till AK5. [2]

20 3.1.2.2 Splitter

Splitter används i huvudsak mot trupp men även mot olika slag av ömtålig utrustning.

Spränggranater, handgranater och truppminor är exempel på splitterstridsdelar. Det finns dessutom finkalibriga vapen t.ex. AK5, med granattillsats som kan skjuta iväg splitterstridsdelar. [2] Bl.a. handgranater har som regel förfragmenterade höljen eller höljen med styrd fragmentering, som ger splittren en viss storlek. Detta uppnås t.ex. genom att djupa spår, rutmönster, görs i stålhöljet eller att höljet byggs upp av stålkulor ingjutna i plast. [4]

Figur 5, visar en spränghandgranat av typ Borstein från 1935. [5]

Då ett sprängämne detonerar accelereras det omslutande höljet och då det brister alstras ett stort antal splitter som kastas ut med hög hastighet.

Utkastningshastigheten beror i första hand på förhållandet mellan sprängämnets och höljets massor men beror även på typ av sprängämne.[6]

Penetrationsförmågan i ett skyddsmaterial för ett splitter beror på dess storlek, densitet, form och hastighet. [2]

När en projektil genomborrar en målplåt slungas det ofta ut material från målplåten i splitterform, tillsammans med resterna av projektilen som ibland slagits sönder i bitar, bakom plåten. Många fler inre objekt kan träffas då splittren sprids ungefär konformat inne i målet.

Oftast särskiljer man inte olika splitter åt då de båda kan ställa till med skador inne i målet. Ur en företeelse aspekt kan det dock vara intressant att särskilja primärsplitter, som kommer från penetratorn, från sekundärsplitter som kommer från målet självt. Detta för att man ska kunna

Nr: Förklaring Nr: Förklaring

1 Lock 10 Krusträng (fördröjning)

2 Lock av papp 11 Primer 2

3 Tändhattens lock 12 Tändhatt 4 Axel för slaghammare 13 Primer 1

5 Fjäder 14 Stift

6 Slaghammare 15 Säkringssprint

7 Packning 16 Grepe

8 Gänga 17 Översikt

9 Pluggkropp

21 karaktärisera olika skyddsmaterials och olika projektilers prestanda i form av verkan efter genomborrning.

Ännu idag är det osäkert att veta hur mycket splitter det blir när en penetrator går igenom en målplåt och därmed blir det osäkert att avgöra hur mycket nytta en skyddsliner på insidan gör.

[7]

Figur 6 Försöksserie: antal splitterhål i vittnesplåtar[7]

Figur 6 visar hur antalet splitter bakom en målplåt varierar med målplåtens tjocklek och projektilens anslagsvinkel, där ingen skillnad görs mellan primär- eller sekundärsplitter.

En projektiltyp med i stort sett samma anslagshastighet och målplåtar av samma material men i olika tjocklekar användes i försöksserien. Antal hål, och deras läge, i en vittnesplåt av aluminium, placerad 50 cm bakom målplåten registrerades.

Man kan tydligt se att vid en vinkelrät, 90°, projektilträff bildas inga eller bara något enstaka splitter, då det av hålen i vittnesplåten kommer från den kvarvarande projektilen. Så länge som projektilen har tillräcklig restpenetreringsförmåga efter plåten, som i 75° fallet, verkar inte den geometriska gångvägen genom plåten vara avgörande. Snedställning av plåten kan även medföra att projektilen splittras och därmed skapar flera splitterhål i vittnesplåten.

Kraftig snedställning av målplåten, i kombination av tjock målplåt, medför att projektilen inte alltid kan genomborra målet och komma ut på baksidan. [7]

22 3.1.3 Allmän verkan

Vapen kan utformas på många olika sätt för att ge olika verkan i målet. Med vapenverkan kan avses de mekaniska effekter som uppstår i ett mål när detta träffas av en stridsdel. Mekanisk verkan kan åstadkommas genom anslag, splitter, stötvågor i mark, luft, vatten och andra material liksom genom ljus- och värmestrålning, brand, radioaktiv strålning och kemisk påverkan. Levande organismer kan dessutom utsättas för biologiska ämnen som framkallar sjukdomar eller förgiftas av kemiska stridsmedel. I verkligheten förekommer vanligen flera verkansformer samtidigt – t.ex. splitter-, tryck- och brandverkan – ett förhållande som förvärrar skadorna, komplicerar skadebilden samt försvårar skydds- och räddningsmöjligheterna. [4]

Olika vapen och ammunition ger olika skador. Pistoler är oftast låghastighetsvapen medan jaktgevär och vissa militära vapen är höghastighetsvapen. Med höghastighetsvapen menas ett vapen där kulan lämnar pipan med en hastighet > 800 m/s. Kulans kinetiska energi d.v.s. den rörelseenergin som överförs från kulan till materialet, bestäms enligt formeln 𝐸 = ^𝑚𝑣₂² . Denna formel kan även appliceras för splitterdelar, där E = Rörelseenergi [J], m = Splittermassa [kg], v = splitterhastighet [m/s]. Detta innebär att kulans utgångshastighet har en större betydelse för dess rörelseenergi än dess massa. [8]

3.1.3.1 Principiellt funktionssätt vid inträngning/genomträngning av projektiler i olika mål

Det är viktigt att få förståelse för hur penetrerande projektiler påverkas av geometriska störningar, händelseförlopp under själva genomborrningen i ett material och inverkan av randeffekter vid in- och utträde ur materialet.

Genomträngningsförlopp för projektiler:

Fas 1. Anslag och begynnande inträngning Fas 2. Inträngning under uppbromsning Fas 3. Genombrott med splitterbildning

Randstörningar från ytan påverkar förloppet inuti målet som är nära ytan och gör så att uppkomna spänningstillstånd avlastas genom deformation av ytan. Målets randstörda delar d.v.s. fas 1-3 övergår fortlöpande i det koncentrerade jämförelsevis randstörningsfria området.

23 En grov tumregel är att det randstörda områdets tjocklek är ca projektil-/splitter- kalibern. Vid splitteranslag vid måttliga hastigheter, < ca 1500 m/s, mot relativt hårda mål ex. stålsplitter mot tunn stålplåt, är penetrationsförmågan endast av storleksordningen splitterkalibern och hela förloppet är kraftigt randstört, fas 2 saknas. Detta kan ge upphov till en företeelse som stansning av pluggar. I gränsytan uppstår kontaktkrafter då projektilen försöker ta sig igenom målmaterialet. Kontaktkrafterna kan delas upp i normalkrafter vinkelrätt mot och friktionskrafter parallellt med gränsytan. Utefter gränsytan varierar krafterna och därtill även hållfasthet och densitet för projektil och mål. Krafterna ändras också med anslagshastighet, projektilens och målets form och anslagsvinkel. De viktigaste kontaktkrafterna är elastisk- plastiskt motstånd, tröghetskrafter och friktionskraft. Den spänningsfördelning som uppstår i projektilen kan i vissa fall tas upp av projektilens material men den kan också åstadkomma en plastisk deformation som förorsakar en ur inträngningssynpunkt ogynnsam formförändring hos projektilen. Splitter och projektilinträngning i skiktade mål är lättare att genomtränga än homogena mål då inverkan av randstörningarna ökar. Detta förhållande gäller endast under förutsättning att projektilen eller splittret inte deformeras kraftigt eller splittras under inträngningsförloppet. [9]

24 3.2 Skyddsmaterial

3.2.1 Stål

Stålpansar är ett av de vanligaste skyddsmaterialen som används till stridsfordon. Det finns en rad olika typer av stål som passar bra som skyddsmaterial mot projektiler och splitter men där ARMOX 500 från SSAB är ett väl känt och använt material i världen. [2]

Pansarstål med dess höga hållfasthet ger ett bra skydd mot vapenverkan samtidigt som det kostar relativt lite. Det gör stålpansar till ett intressant material för många tillämpningar både till fordon och flyttbara markskydd. Känt är att ett hårdare stål har ett bättre ballistiskt skydd mot projektiler och splitter än mjukare stål. [10] Dock är nackdelen med hårda stål att de i regel är spröda, vilket i vissa fall kan skapa fler splitter genom sekundärsplitterutstötning på baksidan av plåten.

Kvävelegerade stål har hög hållfasthet samtidigt som de är sega. Denna typ av stål är väl känt för dess egenskap att kunna deformationshärdas till mycket starka stål. HNS (High Nitrogen Steel) har ett stort töjningshastighetsberoende som betyder att flyt- och brottspänning ökar vid ökande töjningshastighet. Stålet har också en relativt stor töjningsförmåga innan brott gentemot andra höghållfasta stål. [11] Den egenskapen gör att stålet lämpar sig som skydd mot höghastighetsprojektiler. Genom dynamiska tester jämfördes ett kvävelegerat stål (380 HV30) mot ett klassiskt stålpansar (520 HV30). [12] Kompressionstesterna visade att de båda stålen hade liknande styrka men att det kvävelegerade stålet besatt lägre hårdhet.

För att möjliggöra viktminskning med ökat eller bibehållet skydd, kan pansarstålets fram eller baksida beläggas med ett fiberlaminat. Vilken sida laminatet skall sitta på, avgörs av fiberlaminatet. Läs mer på Kap. 3.2.4 om fiberkompositer.

25 3.2.2 Titan

Titan har hittills använts förhållandevis lite trots dess goda materialegenskaper t.ex. med hög hållfasthet och låga densitet. Detta beror främst på att tillverkningsprocessen är dyr. De ökade behoven av höghållfasta material både civilt och militärt har emellertid lett till billigare framställningsmetoder. Den vanligaste typen av titan som används inom flygindustrin och till ballistiska skydd är Ti-6Al-4V. Det är denna legering som också används till stridsfordon.

Titan har fördelarna att det har hög flerskottkapacitet och en god korrosionsbeständighet som minskar underhållskostnaderna. Det bibehåller på så vis ett bra skydd även vid välriktade skottsalvor där flera projektiler träffar nära varandra. Jämfört med pansarstål och aluminiumlegeringar har titan också mycket god viktskyddsförmåga och kan därför ge ett bra skydd med låg vikt.

Nackdelen med Titan är att det är sprött till skillnad från många metaller. Detta kan vid träff av en projektil leda till att små fragment av material stöts ut i form av sekundärsplitter på skyddet insida vilket kan öka skadan. Därför kan det vara nödvändigt att täcka Titanet med ett invändigt skydd för att motverka sekundärsplitterskador. [13]

Vid användning av tjocka titanplattor kan ett tilläggskydd av aluminium (5083) vara nödvändigt att placera på insidan av titanet. Brottmekanismen som sker vid ballistiskt belastande av grövre titanplattor, kallas för ”discing” och ”scabbing”, till skillnad från den adiabatiska skjuvningen ”plugging” som sker i tunnare plattor. Båda typerna av brott ger en relativt låg energiupptagning även om ”plugging” har lite högre. Därför används aluminium som uppbackningsmaterial ibland. [14]

.

26 3.2.3 Aluminium

Aluminium har inte använts lika mycket som stål som skyddsmaterial. Dock använde amerikanska armen redan tidigt (1950-talet) aluminiumlegeringar till deras M113-fordon.

Aluminiumets egenskaper bidrog till ett bättre skydd mot splitter men samtidigt något sämre skydd mot projektiler jämfört med vanligt pansarstål. Aluminium är även ett av det vanligaste materialet i keram-metaller som är en komposit. Läs mer om keramer och dess egenskaper i kap. 3.2.5.

Aluminiumskum erbjuder en unik kombination av egenskaper som låg densitet, hög styvhet, styrka och absorptionsförmåga och kan skräddarsys genom olika mikrostrukturer. Vid ballistisk påverkan av aluminiumskummet från projektiler, påvisar materialet stor icke-linjär deformation och dämpning av spänningsvågen. Dessa egenskaper som aluminiumskummet erbjuder, skapar en ny dimension vid design av fordonskonstruktioner med krav på lätta skydd. [15]

3.2.4 Fiberkompositer

Användningen av fiberkompositer som skydd har ökat markant sedan andra världskriget då bl.a. glasfiber var vanligt förekommande. De vanligaste fiberkompositerna som används i ballistiska skydd idag är aramid (Kevlar och Twaron), polyeten (Dyneema och Spectra) och olika glasfiberkvaliteter (E och S2). Ett känt fiberlaminatmaterial är Dyneema UD66 som är en polyetenkomposit. [16] Aramid- och polyetenlaminat används bl.a. i militära hjälmar, skottsäkra västar, MC-kläder, polisbilar och skottsäkra bilar. [17]

Beroende på fibertyp och tillämpning tillverkas vävda eller nålfiltade textilier av fibrerna.

Textilierna kan sedan lamineras med en plastmatris eller användas torra. Polyeten lamineras vanligtvis med raka fibrer som ligger korsvis lager för lager. Vid behov av ett skydd mot finkalibrig eldgivning kan ett fiberpansar kombineras med ett hårt material där fiberlaminatet placeras på baksidan av det hårda materialet och hjälper till att fånga upp projektilen. Väven måste sitta så att den har utrymme att sträckas ut då kraften från projektilen fördelas ut över hela väven. Om inte tillräckligt med utrymme finns kommer projektilen att stansa ut ett hål i väven p.g.a. höga lokala spänningar i fibrerna. [18]

27 En fördel med fibervävarna är att de är flexibla. Detta gör de passande som kroppsskydd av olika typer. Om de flexibla egenskaperna inte är önskvärda kan fibrerna bindas till en matris av plast eller gummi. Fibrer som är inbäddade i en matris har en begränsad rörlighet och får svårare att förskjutas vilket leder till sämre skyddsegenskaper. En dålig vidhäftning mellan matrisen och fibrerna anses ge bättre skyddsförmåga då det blir slagtåligare.

Konstruktionsmaterial har däremot oftast krav på god vidhäftning mellan fibrer och matris för att få ett styvt och hållfast material och medföra att de inte är lämpade som skydd. Det finns även kompositer där flera olika typer av fibrer används i en kombination för att få vissa önskade egenskaper, dessa kallas för hybridkompositer.

Figur 7 Visar en fiberkompositväv som inte är inbäddad i någon matris, från snipersystems.co.uk

28 3.2.5 Keramer och Kerampansar

De senaste årtionden har kraven på skydd med låg vikt ökat. Detta gjorde att utvecklingen av nya icke-metalliska skyddsmaterial startade. Utvecklingen ledde till att keramer och kompositer blev större beståndsdelar i olika ballistiska skydd med lägre vikt som resultat.

Keramernas låga densitet, hårdhet, styvhet och goda tryckhållfasthet har gjort det till ett vanligt förekommande material i skydd mot splitter och projektiler. Keramer uppbackade av ballistiska kompositskydd är ett ämne som kommer utredas noggrant i framtiden pga. dess mycket goda skyddsegenskaper mot fin- och mellankaliberprojektiler. Särskilt när vikt är ett kriterium vid design av t.ex. helikoptrar, lätta markfordon, flygplan och kroppsskydd. [19], [20]

I kroppsskydd består vanligtvis keramdelen av en monolitisk platta eller många mindre plattor (mosaik) som hålls samman av ett fibermaterial i ett eller flera lager. Keramens huvudsakliga roll är att genom sin höga hårdhet (skjuvhållfasthet), erodera och deformera den inträngande projektilen och sedan låta den uppbackande fiberkompositen (t.ex. Kevlar) fånga upp resterna av projektilen och keramen. Vid skydd av fordon mot finkalibrar, monteras kerammosaiken direkt mot fordonets grundstruktur eller på en separat uppbackning av fiberkomposit eller metall. I mer avancerade konstruktioner integreras kerammaterialet direkt med grundstrukturen vid tillverkning av fordonet och på så vis öka strukturhållfastheten och minska vikten. [21]

Det är de så kallade konstruktionskeramerna som är intressanta för ballistiska skyddstillämpningar. Till konstruktionskeramerna räknas aluminiumoxid (Al2O3), kiselkarbid (SiC), kiselnitrid (Si3N4), aluminiumnitrid (AlN), titanborid (TiB2) och borkarbid (B4C). De bäst passande keramerna som skydd till helikoptrar, fordon och kroppsskydd är aluminiumoxid, kiselkarbid och borkarbid. [2]

29 3.3 Innovativa skyddsmaterial

3.3.1 Nanostrukturella metalliska material

Sedan början på 90-talet när nanotekniken slog igenom på riktigt har utvecklingen gått snabbt framåt med nya material i nanoskala som resultat. Nanostrukturella material har mycket goda mekaniska, termiska och elektriska egenskaper kombinerat med låg densitet. [22] De metalliska nanomaterialen som finns idag uppvisar ofta nya och bättre egenskaper jämfört med konventionella material. Sandvik Nanoflex är ett ultra höghållfast material med bra korrosionsegenskaper. Nanoflex är lätt att forma och kallbearbeta men får efter värmebehandling en hög sträckgrans kombinerat med seghet. I legeringen ingår det mycket små och hårda partiklar med en storlek på 1-10 nm. Partiklarna tillsammans med en duktil matris gör materialet både hårt och segt. Till skillnad från traditionella material, minskar inte segheten i Sandvik Nanoflex med ökad hållfasthet. Materialet används idag till skyddsvästar som skyddar mot finkalibrig eld, lätta strukturer, idrottsutrustning etc. [23]

3.3.2 Amorfa metaller

Skillnaden mellan traditionella metaller och amorfa, är att den sistnämnda inte har någon kristallin atomstruktur. Atomerna i en amorf metall har således ingen fjärrordning och inga korngränser. [2] Utvecklingen av amorfa metaller har lett till möjligheten att producera metalliska material med ballistiska egenskaper som motsvarar keramiska material. Amorfa metaller möjliggör även användande av komplicerade och skyddseffektiva geometrier som är vikteffektiva. [24]

3.3.3 Kerambaserat nanomaterial

Utvecklingen inom nanoteknikområdet kommer medföra nya keramer för tillämpningar inom ballistiskt skydd. Idag forskar Försvarets Nanoteknikprogram inom området för kerambaserat nanomaterial. Tanken är att ta vara på möjligheterna med nanotekniken för att skräddarsy nya material med förbättrade egenskaper. Nanokeramer är ett tänkbart material som det forskas om huruvida det lämpar sig som skottsäkra fönsterrutor och skydd mot pansarbrytande projektiler. [25] En del typer av nanokeramer kan göras transparanta. Transparanta keramer ger en påtagligt höjd skyddsnivå hos optiska fönster. [24]

30 3.4 Jämförelser mellan skyddsmaterial

Då det finns intresse att använda skyddsmaterial med låg vikt, är det lämpligt att jämföra olika materials skyddsförmåga relativt dess massa. I en sammanställning som gjordes av Lidén m.fl (1994) [2], jämfördes gränshastigheter mellan stål, aluminium och titan vid anslag av 7,62 mm projektil med blykärna, se figur 8. Gränshastigheten är den hastighet som projektilen har när den precis perforerar målet. Det framgår i figuren att titan är det mest effektiva materialet per ytvikt av de olika metallerna för de studerade gränshastigheterna.

Vid anslag av en 7,62 mm projektil med stålkärna mot samma tre metaller och även två keramer med uppbackningsmaterial. Försöken visar att keramlösningen är betydligt effektivare per ytvikt än de tre metallerna. De överlägsna skyddsegenskaperna keramskyddet

besitter, ökar med ökade gränshastigheter, se Figur 9.

Figur 8Skyddsförmågan för olika metaller mot 7,62mm projektil med blykärna.[2]

31

Figur 9 Skyddsförmågan för olika metaller och keramer med uppbackningsmaterial mot 7,62 mm projektil med stålkärna. GAP = glasfiberarmerad plast.[2]

Figur 10 Skyddsförmågan för olika metaller mot splitter 3 g.[2]

32

4. Metod

Första steget av examensarbetet var att ställa upp en projektplan. Projektplanen skulle sträcka sig under 20 veckor.

Därefter inleddes en problemförståelsefas där examensarbetet ”Utveckling av splitterskyddat styrdon till BvS10+” granskades. För att få en grund till arbetet genomfördes en litteraturstudie om vapenverkan. Artiklar och rapporter om de olika områdena; drivpaket, tätningar och styrcylindrar studerades också.

Efter problemförståelsefasen skapades olika koncept för de olika områdena. Koncepten ritades upp i CATIA V5 och sammanställdes sedan med befintlig CAD-sammanställning av styrdon Oden och BvS10. Kontakt togs internt men även med andra företag för att diskutera dimensioner och för att få tips.

Nytt styrdonskoncept togs fram efter diskussion, med BAE Systems Hägglunds AB, om styrcylindrarnas placering gentemot framchassiet. Materialval har valts att göra på bälgmaterialet. I tidigare arbete hade lämpligt material av grundkonstruktion och skydd redan valts.

Dokumentation av framsteg har skett kontinuerligt under arbetets gång.

33

5. Koncept

5.1 Drivlina

5.1.1 Dagens styrdon och drivlina

I dagens styrdon drivs bakvagnen med en konventionell kardanaxel med en kardanknut vid varje tiltled. Då styrleden är placerad mitt emellan tiltlederna krävs det att axeln kan göra längdförändringar när fordonet svänger. Längdförändringen som uppkommer vid styrning tas upp av ett bomförband mitt på axeln. Denna längförändring leder dels till mindre vinklar på knutarna vilket är bra, samtidigt som axeln kräver större utrymme på grund av att den genar vid sväng. Denna konfiguration av drivaxel kräver att lederna vinklas lika mycket och i samma plan för att inte skapa vibrationer (skillnader i vinkelhastigheter på ingående och utgående axel), samt att vinklarna på lederna inte överstiger 30 grader.

Då styrleden och den främre tiltleden sammanfaller (pga att styrleden har flyttats fram) i Odens konstruktion leder det till att en av drivknutarna måste ligga i eller nära denna punkt på grund av att det inte finns nog med utrymme för axeln att gena. Konsekvensen av detta är att längdförändringen av axeln blir nästan obefintlig samtidigt som knuten får ta upp nästan hela styrvinkeln plus främre tiltvinkeln som tillsammans blir 42 grader. Det klarar inte en vanlig kardanknut.

Figur 11 Censurerad: BvS10’s styrdon och drivaxel i genomskärning.

34 5.1.2 Centrerad dubbel kardanknut + Centrerad dubbel kardanknut

Ovan nämndes det att en ensam kardanknut genererar skillnader i vinkelhastigheter mellan ingående och utgående axel då knuten vinklas. För att undvika att vibrationer, oljud samt slitage uppkommer i drivlinan kan en centrerad dubbel kardanknut ersätta den enkla kardanknuten så att drivlinan består av två dubbla centrerade kardanknutar och en mellanliggande axel. En dubbel kardanknut är en av flera typer som kallas CV-knut då den har konstant hastighet (Constant Velocity). Med denna konfiguration kommer det aldrig att uppstå någon vibration i drivlinan på grund av vinklarna i knutarna. En dubbelknut har däremot nackdelen att den är betydligt tyngre och är större än en konventionell knut. Denna drivaxel är underhållsfri.

Figur 12 Drivaxel, från Spicer Nordiska Kardan AB, med två centrerade dubbelknutar med flänsfästen (DIN 120)

5.1.3 CV-knut + CV-knut

Tanken med detta koncept är att använda en så liten och lätt drivlina som möjligt. Den här typen av drivaxlar används i dagens person- och racingbilar mm, se figur 13. Den finns i en rad olika utföranden av dessa axlar men gemensamt har de att de alltid generar konstant hastighet mellan in- och utgående axel (därför namnet Constant Velocity-joint, CV-knut).

Det finns olika damasker till dessa. De damasker som generellt används till personbilar klarar upp till 30 graders knutvinkel och maximalt varvtal på ca 2000 Rpm. Det finns även en damask som klarar 8000 Rpm och maximal vinkel på 10 grader. Vinkel- varvtalsförhållandet (Vinkel x Rpm) är begränsat till 15000 för korta driftstider. Se bilaga 1 för applikationer av CV-knutar.

Figur 13 Visar en komplett drivaxel till en bil med CV-knutar i båda ändarna, från GKN’s Loebro-katalog.

35 5.1.4 Ocentrerad dubbel kardanknut + kardanaxel

En annan typ av dubbelknut är den Ocentrerade varianten. Till skillnad från den centrerade typen, sitter det ingen centreringskula i centrum på dessa drivknutar. Ett vanligt användningsområde är till drivningen av framhjul på traktorer och liknande maskiner då det tillåter en vinkel upp till 55 grader. För att en knut av det slaget skall vara användbart måste stödlager placeras närliggande knuten på vardera sidan. Drivlinan skulle i detta fall bestå av en upplagrad ocentrerad dubbelknut i centrum av tilt- och styrledscentrum och en kardanaxel med enkla kardanknutar, mellan dubbelknuten och bakvagnen. Infästningen av drivlinan sker via flänsfästen (DIN 120). Detta koncept medför problem med tillverkning, utrymme och vikt.

Då stödlagren väger ca 10 kg tillsammans samtidigt som de tar upp utrymme, innebär detta att styrdonet blir tyngre och lämnar mindre utrymme till andra komponenter. Att montera en delning på mitten av kardanaxeln blir ett större problem då den har en viss längd som leder till att axeln den skall sitta på måste ha en viss längd för att få plats. Fördelen är att alla frihetsgrader blir oförändrade.

Figur 14 Visar en ocentrerad dubbel kardanknut, från ELBE produktkatalog, som används till styrningar på fordon med framhjulsdrift.

36 5.1.5 Utvärdering av koncept till drivlina

Tabell 2: Utvärdering av koncepten till drivlina genom styrdonet, uppställt i en matris. Generella värden är de värden som antagits varit de viktigaste att ta hänsyn till.

* Det drivknutspaket som används på Dagens styrdon. Detta drivknutspaket, 1, jämförs som med de andra drivknutspaketen 2-5, hur det skulle tåla att verka i Oden.

Vinkelkapacitet Vikt Livslängd Vinkel -/Varvtalsförhållande Varvtalskapacitet Betyg

Summa

0,3 0,1 0,1 0,2 0,3 1

1 Kardanknut + Kardanknut * 2 0,6

3 0,3

1 0,1

3 0,6

1

0,3 1,9

2 Centrerad dubbel kardanknut x 2 3 0,9

2 0,2

5 0,5

5 1

4

1,2 3,8

3 Centrerad dubbel kardanknut + CV-knut 3 0,9

3 0,3

2 0,2

2 0,4

1

0,3 2,1

4 CV-knut + CV-knut 4

1,2

5 0,5

1 0,1

1 0,2

1

0,3 2,3

5 Ocentrerad dubbel kardanknut + Kardanaxel 4 1,2

1 0,1

4 0,4

3 0,6

4

1,2 3,5

Viktfaktor

Generella värden

37 5.2 Tätning av styrdon

För att kunna underhålla styrdonet på bästa sätt bör det vara helt tätt eller helt öppet. Ett helt öppet styrdon ger möjlighet till att man lätt kan skölja och ta bort smuts som fastnat men ger även möjlighet till ett lättare utbyte av trasiga delar samt mek. Ett helt tätt styrdon gör att smuts inte överhuvudtaget kan fastna och förstöra, ger bättre flytförmåga och smörjning av komponenter minskar.

Som styrdonet Oden är konstruerat idag med splitterskydd så måste det vara helt tätt och skyddat mot smuts. Detta har gett upphov till 2 huvudkoncept med delkoncept.

5.2.1 Inre tätning av styrdon

”Geometriformade” plåtar som följer Odens skelettkonstruktion kommer i vardera änden fästas innanför styrlänksdelarna. Därpå kommer bälgar fästas för att drivlinan skall kunna röra sig fritt. Hål kommer att borras ut ur plåten för kabeldragning. Tätning kommer även ske vid öppningen i botten av mittendelen. Denna öppning som ger plats åt styrleden vid tilt.

Figur 15 Odens skelett med: 1.Tätning av botten,

2.Plattjärn för fäste av plåtar, 3.”Geometriformad” plåt, 4.Bälg.

38 5.2.2Yttre tätning av styrdon

5.2.2.1 S-bälg, borst/gardin tätning, väggar

Plåtar kommer att fästas i vardera änden av styrlänksdelarna. S-formad bälg, se pil i figur 16, mellan bärande struktur och tilt-delen. S-bälgen skulle skyddas med gardin- eller borsttätning för att undvika att smuts tränger in och nöter bälgmaterialet

Figur 16 Oden med S-bälg

5.2.2.2 Bälgar över fästen, väggar

Plåtar kommer att fästas i vardera änden av styrlänksdelarna. På den främre kommer en bälg fästas för att drivlinan skall kunna röra sig fritt. Hål kommer att borras för kabeldragning.

Bälgar kommer fästas mellan styrlänksdel och mittendel.

Figur 17 Oden med: 1.Plattjärn och slangklämmor för fäste av bälgar, 2.Bakre plåtplatta, 3.Bälgar,

4.Skydd av bälg

39 5.3 Styrcylindrarnas placering

5.3.1 Innanför chassiet med modifierad botten och omplacering av komponenter Då ett bra splitterskydd för styrdonet och dess komponenter eftersträvas, skulle det vara en fördel att placera styrcylindrarna innanför det minskyddade framvagnschassiet. Med dagens vagnbotten krävs en breddning i den bakre mitten delen av botten för att möjliggöra placering av cylindrarna innanför chassiet som styrdonets konstruktion ser ut idag. Detta medför att botten skulle få ett mer U-format utförande vilket inte är positivt ur minskyddssynpunkt. I dagens framvagn sitter det även komponenter som dieselvärmare, hydraulik och elektronik som måste omplaceras i framvagnen för att skapa utrymme till styrcylindrarna.

5.3.2 Utanför chassi med modifierad botten

Här fästs styrcylindrarna i ett fäste monterat på chassiets vardera utsida strax bakom vagnens bakre bladfjädring, samt i styrdonets styrlänkar. När fordonet svänger rör sig styrcylindrarna i sidled. För att inte styrcylindrarna skall komma i kontakt med drivbanden, är de placerade nära chassiet vilket leder till att cylindrarna skär in genom det V-formade chassiet. För att göra utrymme till sidledsrörelserna krävs en inbuktning i chassiet på varje sida. Placering av cylindrarna har passats in för att göra minimal påverkan på chassiet samtidigt som utrymmet till banden är maximerat. För att skydda styrcylindrarna skruvas skyddsplåtar utanpå chassiets båda sidor. För att hålla smuts och vatten ute placeras en bälg mellan styrcylindern och skyddskåpan på båda sidorna. Hydraulslangarna till styrcylindrarna kommer att ledas genom en liten tätad öppning på chassiets vardera sida och fästas till cylindrarna så nära främre fästet som möjligt Där rör sig cylindrarna som minst vid sväng vilket minskar risken för slitage på slangen. Inga slangar blir då synliga utifrån och sitter skyddade från yttre våld samt naturligt slitage från smuts. För att reparera kolven eller byta slangar monteras skyddskåpan av vilket gör allt lättåtkomligt.

40 5.3.3 Helt utanför chassiet

För att inte påverka chassiets konstruktion eller komponenter innanför det, kan styrcylindrarna placeras helt utanför dagens eller framtida chassi. Då placeringen av styrcylindrarna utanför chassiet inte påverkar minskyddet finns anledning till att undersöka möjligheterna med detta. Precis som i kapitel 5.3.2 krävs även här ett skydd för styrcylindrarna i form av kåpor bultade utanpå chassiet runt styrcylindrarna.

5.4 Styrcylindrarna inbyggda i styrdonet, Seke

Med utgångspunkt från Odens konstruktion, har styrcylindrarna placerats inne i styrdonet i detta koncept. Detta ledde till ett nytt koncept till styrdon som döpts till Seke. De stora skillnaderna mellan Odens och Sekes konstruktion, är att Seke har breddats nertill för att ge svängrum till styrcylindrarna vid sväng. Den främre tiltleden har flyttats till framkant av styrdonet närmast framvagnen för att undvika ofrivillig tiltning vid sväng. Om tiltleden suttit kvar som på Oden, hade den blivit en knäckpunkt när styrcylindrarna påverkat styrdonet.

Fördelen med inbyggda styrcylindrar i styrdonet är att det bli en enhet som kan ersätta mot dagens utan omkonstruktion av framvagnen. Detta möjliggör att dagens kunder till Hägglunds, enkelt kan komplettera sina vagnar med splitterskyddat styrdon.

41

6. Resultat

6.1 Drivlina

6.1.1 Drivaxel med två stycken centrerade dubbelknutar

En drivaxel med två centrerade dubbelknutar uppfyller kraven bäst av de olika koncepten.

Spicer Nordiska Kardan AB i Åmål säljer en kardanaxel av aktuell typ, modell 2030, se bilaga 2. Dessa drivknutar klarar en vinkel upp till 42 grader, 4500 Rpm och 6500 Nm. Drivknuten vid styrleden kommer aldrig att utsättas för mer än 42 graders vinkel. En sådan drivknut har fördelen att den genererar konstant hastighet då det sitter två knutar i den, som jämnar ut vinkelfelet som skapas i en ensam knut.

En centrerad dubbelknut gör att båda vinklarna kommer ligga i samma plan och kräver därför ingen support av närliggande lagringar på vardera sidan knuten. Detta är en stor fördel som underlättar tillverkningen och monteringen av styrdonet. Anledningen till att det valdes två dubbelknutar trots att det bara är en av de som kommer ta stora vinklar, är för att få konstant hastighet i drivlinan och för att undvika vibrationer och obehagliga ljud. Detta betyder att

Figur 18 Censurerad: Illustrerar en genomskärning i centrum av monterad drivaxeln med delning sedd från vänster.

42 oberoende av hur fordonet används, blir driften jämn och livslängden blir på så vis maximerad. Nackdelen med den här typen av drivknut är att de är relativt stora i dimensionerna samt väger mer än de flesta drivknutar.

Livslängden som Spicer Nordiska Kardan AB räknat ut med hjälp av driftsprofilen, bilaga 3, från Hägglunds, blir 167 00 timmar, bilaga 4. Då livslängdskravet från Hägglunds kunder ligger på 7 000 – 10 000 timmar finns det god marginal för detta.

Vinkel- varvtals förhållandet (Rpm x Vinkel) för axeln bör inte överstiga 22 000 vid normal drift och 25 000 vid korta driftstider. Enligt driftsprofilen, bilaga 3, för fall 4, har axeln ett varvtal på 1022 rpm vid terrängkörning då 42 grader vinkel på främre knuten kan uppstå.

1022 rpm motsvarar en hastighet på 15 km/h för fordonet som skulle leda till ett vinkel- varvtals förhållandet på 42 924, vilket överskrider gränsen för korta driftstider med 71 %.

Då det inte är realistiskt att köra 15 km/h när fordonets alla frihetsgrader är i sina maxlägen har ett antagande gjorts att en hastighet på upp till 9 km/h är mer korrekt.

Antagandet leder till att vinkel- varvtalsförhållandet blir 23940 vilket är realistiskt på grund av korta driftstider för detta fall. Detta förhållande påverkar inte livslängden påtagligt enligt Spicer Nordiska Kardan AB. Om förhållandet överskrids uppkommer däremot ett obehagligt ljud för personalen i fordonet, men påverkar inte i livslängdsberäkningen.

Vinkel- varvtalsförhållande för korta driftstider:

 9 km/h = 570 rpm

570 rpm x 42 grader = 23 940 vilket är ok

 15 km/h = 1022 rpm

1022 rpm x 42 grader = 42 924 vilket överskrider gränsen med 71 %

Axeln skall placeras så att bakre drivknutens centrum sitter i bakre tiltcentrum och fästes direkt i befintlig flänsinfästning (DIN 120) på differentialen i bakvagnen. Den främre knutens centrum skall sitta 135 mm framför främre tiltcentrum i höjd med utgående axeln från fördelarväxeln skruvat på ett flänsfäste (DIN 120) fastsatt på växellådan med ett bomförband, se Figur 19.

43

Figur 19 Flänsfäste (DIN 120) till främre drivknuten, fastsatt på växellådan med bomförband.

44 6.1.2 Ocentrerad dubbelknut med stödlagring samt delbar kardanaxel

För att undvika breddning av styrdonet, placeras en ocentrerad dubbel kardanknut [26] i centrum av styrleden och främre tiltcentrum. Då förflyttar sig inte knuten i sidled och behöver inte mer utrymme som är fallet beskrivet i kap 6.1.1.

Figur 20 Censurerad: Drivlina bestående av ocentrerad dubbel kardanknut med stödlagringar samt en konventionell kardanaxel med monterad delning.

Den typen av knut är vanligt förekommande i styrningar på fordon där det är drivning på framhjulen då knutarna klarar ända upp till 55 grader utan att påverka driften. Nackdelen är att knuten måste lagras upp på båda sidorna för att in- och utgående axel skall ligga i ett plan vilket är en grundregel för dessa knutar. Detta medför ett moment till i monteringen samt ökad vikt och kostnad då lagringarna med tillhörande hållare tillkommer. För att möjliggöra tilt av bakvagn samt roll, består den bakre delen av drivlinan av en vanlig kardanaxel med monterad självcentrerande koppling (Kap 6.1.3) som tillåter isär koppling av fram- och bakvagn. Kraftöverföringen sker via ett bomförband mellan växellådan och drivknuten.

Bomförbandet är nödvändigt då ena sidan av drivknuten måste kunna röra sig axiellt (7 mm i detta fall) när knuten vinklas medan andra änden är fixerad.