HYDRAULSYSTEM TILL BROMSVAGN

Examensarbete, 15 hp

Högskoleingenjörsprogrammet i maskinteknik, 180 hp

Vårterminen 2018

HYDRAULSYSTEM TILL BROMSVAGN

För klimatiska tester av militärfordon

Victor Smulter

i

Förord

Denna rapport innefattar resultatet av mitt examensarbete på 15 Högskolepoäng för högskoleingenjör, maskinteknik vid Institutionen för tillämpad fysik och elektronik.

Examensarbetet har utförts mellan 21 mars till 25 maj på British Aerospace (BAE) systems i Örnsköldsvik.

Jag vill rikta ett stort tack till alla inblandade vid testavdelningen på BAE som tagit sig tid at svara på mina frågor samt engagerat sig i mitt arbete. Ett särskilt stort tack till min företagshandledare Göran Westman som bidragit med många och värdefulla synpunkter, idéer och problemlösningar som gjort det möjligt för mig att genomföra detta examensprojekt.

Victor Smulter 2018-05-21

ii

Sammanfattning

Det här examensarbetet beskriver ett hydrauliksystem till en bromsvagn för att simulera olika terränger för bandvagn, BvS 10, stridsfordon 90. Detta För att möjliggöra klimatiska

uthållighetstester på dessa fordons kylningssystem vilket inte är möjligt idag.

I rapporten beskrivs komponentval och samband, hur de fungerar och kan användas för att uppnå en bromseffekt för att kunna simulera olika terränger. Rapporten beskriver också vilka gränser dessa komponenter sätter på bromsvagnen, Samt i vilka hastigheter vagnen lämpar sig att använda.

Bilder av hydraulikschemat över processen finns i rapporten. Denna innehåller även 3D bilder på hur hydrauliken har anpassats till bromsvagnen.

Failure mode and effect analysis (FMEA) visar på att bromsvagnen behöver bättre kylning till pumphusen men även att kylarradiatorerna är känsliga för hård terräng. Detta kan vara grund för framtida utveckling av bromsvagnen.

iii

Abstract

This degree project describes a hydraulic system for a brake-carriage to simulate different terrain for BvS 10, and combat vehicle 90. Which makes it possible to do climate endurance tests of these vehicles cooling systems, which is not possible today.

The report describes component selections and relationships, how they work and how they can be used to achieve a braking effect to simulate different terrains. The report also describes the limits these components put on the brake-carriage. As well as at what speed the carriage is suitable for use.

Pictures for the hydraulic scheme of the process are presented in the report. The report also contains 3D images on how the hydraulics have been adapted to the brake-carriage.

Failure mode and effect analysis (FMEA) indicates that the brake-carriage needs better cooling to the pump housing, but also that the cooling radiators are sensitive to hard terrain. This may be a base for future development of the brake-carriage.

iv

Innehållsförteckning

Förord ... i

Sammanfattning ... ii

Abstract ... iii

1. Inledning ... 5

1.1 Företagspresentation ... 5

1.2 Bakgrund ... 5

1.3 Syfte ... 5

1.4 Målsättning ... 5

1.4 Avgränsningar ... 6

2. Teori ... 6

2.1 Hydraulik och elektronik formler ... 6

3. Metod ... 7

3.1 Planering ... 7

3.2 Hydrauliksystem ... 8

3.2.1 Huvudsystem ... 8

3.2.2 Hjälpsystem ... 10

3.2.3 Beräkningar för hydrauliksystem ... 11

4. Resultat... 12

4.1. Beräkningar för tryck och flödes värden. ... 12

4.2 Val och beräkningar av komponenter... 13

4.3 Hydrauliksystemet och sammankoppling med bromsvagn. ... 16

4.4 Failure modes and effect analysis ... 18

5. Diskussion ... 20

5.1 Huvudresultat ... 20

5.2 Orsaker till resultaten ... 20

5.3 Framtida lösningar ... 21

5.4 Metoddiskussion ... 21

Referenslista ... 22

Bilaga 1 ... 23

Bilaga 2 ... 48

Bilaga 3 ... 49

Bilaga 4 ... 50

B5

1. Inledning

1.1 Företagspresentation

British Aerospace (BAE) systems är baserat i Storbritannien och är en av Europas största koncern inom försvarsindustrin. Koncernen har omkring 83 100 anställda. [1] BAE systems AB i Sverige är ett dotterbolag till BAE Systems Land and Armaments, ägt av BAE Systems. BAE

BAE System Hägglunds AB är ett verkstadsföretag med placering i Örnsköldsvik och är en del av BAE systems AB tillsammans med BAE Systems Bofors AB. [2] BAE System Hägglunds AB var tidigare grundat som Hägglund & Söners division för militära fordon men blev 1997 uppköp av det brittiska bolaget Alvis som sedan 2004 blev uppköpta av BAE Systems. [1]BAE System

Hägglunds AB huvudsakliga produktion i nuläget är bandvagn 206, BvS 10 men även stridsfordon 90. [1]

1.2 Bakgrund

Idag testar BAE systems sina fordon bandvagn 206 och BvS 10 samt stridsfordon 90 i en

testanläggning på industriområdet. Det har länge funnits ett behov av att kunna testa fordonen under verkliga förhållanden.

Den befintliga anläggningen erbjuder möjligheten att reglera testmiljön med att reglera temperaturen i hallen så att den liknar de temperaturförhållanden som fordonet är tänkt att användas i. Anläggningen kan även testa motorbelastning genom att koppla till ett motstånd på drivande axel under fordonet. Testanordningen är avancerad men har inte möjlighet att belasta delar så som påverkas under körning och rörelse så som exempelvis larvband.

Ett av BAE;s utvecklingsområden är att kunna garantera att företaget uppnår de krav som kunden ställer på fordonets användnings möjligheter. För att kunna uppnå sina löften har BEA ett behov av att kunna testa fordonen i naturliga miljöer med uppförsbackar och andra motstånd som finna i öken, skog och mark. Genom att använda sig av en testatrapp med möjlighet att ställa in

motstånd kan detta bli möjligt.

1.3 Syfte

Syftet med detta examensarbete är att teoretiskt konstruera ett koncept i form av en bromsvagn för att kunna testa bandvagnarna BvS 10 och stridsfordon 90 i den olika terränger. Vagnens syfte är att med ett varierbart motstånd belasta det dragande fordonet så att kylsystemens prestanda kan uthållighetstestas.

1.4 Målsättning

Målet med detta projekt var att presentera ett koncept på hur hydraulik kan användas i en bromsvagn för att simulera olika testmiljöer i naturen. Målet var även att beskriva hur hydrauliksystemet kan bromsa med en viss effekt men också hur överflödiga energin som uppstår vid körning av ett militärfordon tas hand om. Samt att göra en Failure Mode and Effects Analysis (FMEA).

B6

1.4 Avgränsningar

Projektet bestå av fyra examensarbetesdelar; chassi, styrsystem, axel/ hjul upphängning och hydraulik. Denna del av projekt är begränsat till att utveckla ett koncept på ett hydrauliskt system för att kunna bromsa fordonen med en vissa effekt. Projektet innefattar även anpassning av hydraulik komponenterna för placering i axlar och hjulupphängningar. I uppdraget ingick även att finna och ta kontakt med tänkbara leverantörer för komponenter, vilka skall vara anpassade till de övriga delarna av bromsvagnsprojektet.

2. Teori

2.1 Grundläggande studentarbete

Detta projekt baseras på ett tidigare studentarbete inom denna utbildning som kartlagt vilka bromsmetoder som är rimliga att använda för detta område. I studentarbetet gjordes

grundkraftberäkningar över de krafter som simuleringssituationerna kräver. Det gjordes även jämförelser mellan andra bromssystem och kostnads beräkningar. Specifikations krav som ställdes i detta arbeta var att bromsvagnen inte skulle överstiga 15-25 ton. Den skulle även klara av att köra upp mot 50 km/h och att bromsa med en effekt mot 500 kW av stridsfordon 90 och 100 kW för BvS10. Kravet var också att vagnen skulle kunna köra i ett ”steady-state” vilket innebär att vagnen kan köras i bromsande läge utan att överhettas. Likande beräkningar gjordesäven i studentarbetet för de andra delarna av bromsvagnen i examensarbete.

Studentarbetet visade att ett hydrauliskt system bör var bäst lämpat för att uppnå de krav som ställdes på bromsvagnen. Det hydrauliska systemet är att föredra då vagnen skall vara mobil och utrymmet är begränsat. Men för att hydraulikmotorer kan skapa stora vridmoment vilket krävs.

(Bilaga 1)

2.1 Hydraulik och elektronik formler

Flödet som en hydraulpump producerar vid ett visst varvtal beräknades med följande formel:

(1) 𝑞𝑒=^{𝑛×𝑉𝑖×𝜂𝑉}

1000

Där summan (qe) står för det effektiva flödet i liter per minut (L/min) som beräknas av varvtal (n) revulutions per minute (rpm) gånger deplacement (Vi) kubikcentimeter per varvtal (cm3/rev) och volymetrisk verkningsgrad (nv) delat på 1000. [3]

Formeln som användes för att beräkna vridmoment som en pump behöver är följande:

(2)

𝑇 =

20𝜋∗𝜂_ℎ𝑚

B7 Förklaring summan av (T) är det vridmoment i newtonmeter (Nm) som skapas beronde på tryck skillnaden (∆p) (bar) gånger (Vi) som delas med hydromekaniska verkningsgraden ηhm gånger 20 pi 5]

Effekt som skapas av enheten vid ett visst varvtal och vridmoment beräknades med

(3) 𝑃_𝑠 =𝑇 × 𝑛 9550

Effekten för varje kraft läge beräknades enligt denna formel för att hastigheten tillsammans med bromskraften inte överstiger dragfordonens effekt.

Effekten (Ps) som beräknas i watt (W) är vridmomentet gånger varvtal delat på 9550

Vridmomentet för en motor som krävs beräknades genom följande formel:

(4) 𝑇 =𝑉_𝑖× ∆𝑝 × 𝜂_ℎ𝑚 20 × 𝜋

Deplacementet gånger tryck skillnaden gånger hydromekaniska verkningsgraden delat på 20 pi vridmomentet. [5]

Effekten för en elmotor som driver hydrauliken beräknades genom följande formel:

(5) 𝑃 = 𝑈 × 𝐼 [3]

Där summan av spänningen (U) som mäts i volt (V) gånger strömmen (I) som mäts i amper (A)

3. Metod

3.1 Planering

I den inledande fasen gjordes en projektplan med genomgång och förtydligade av de krav som ställs på vagnen. Projektet delades upp i olika ansvarsområden, så som chassi, styrsystem, axel/

hjul upphängning och hydraulik, vilka sedan fördelades mellan deltagarna.

Krav som ställdes från BAE på hydraulikdelen var att utföra en FMEA, göra en konceptdesign, utreda ett kylsystem för att klara av att köra i ”steady-state”. Men även att samarbeta med de andra projektdeltagarna för att kunna koppla ihop delarna till en bromsvagn. I projektdelen ingick även kontakt med tänkbara leverantörer av hydraulikdelar som är anpassade till vagnen.

Utifrån dessa punkter gjordes ett Gantt schema för att kunna få ett bättre samarbete med de övriga projektdeltagarna som ses i figur 1.

B8

Figur 1 Gant schema över projektet

3.2 Hydrauliksystem

Schemat för hydrauliksystemet ritades upp med hjälp av Zuken E3, vilket är ett program som används för detta ändamål på BAE. Hydrauliksystemet delades upp i huvudsystem och hjälpsystem.

3.2.1 Huvudsystem

Figur 2 Matarsystem

Hydrauliken för bromssystemet byggder på att skapa ett tryck i pumparna för att skapa en mot kraft i hjulen på vagnen. Se teoridelen . Hydrauliksystemet startas med en elmotor för att driva primerpumpen. Primerpumpen är avsedd att fylla huvudsystemet med olja. Den har även som uppgift att byggt upp rätta flöden och tryck för att försäkra att det inte sker kavitationer i de

B9 bromsande pumparna innan matarpumpen tar över. När dragfordonet har uppnått en viss hastighet och bromskraft är rätta då uppnås flöden och tryck för att driva hjälpsystemet och därmed tar matarpumpen över. Dess uppgift är att upprätt flödena och trycken för att förhindra kavitationer i bromspumpar under körning. För att förhindra att olja trycks baklänges genom primer/matarpumpen placera backventil mellan huvudsystemet och inmatningssystemet. det placeras ut en tryckvakt för att förhindra övertryck i ledningen mellan systemen. Se figur 2

Figur 3 Huvudsystem för hydraulschemat

Huvudsystemet är en sluten krets för att minska oljevolymen på hydrauliktanken. I

huvudsystemet är de bromsande pumparna placerade innan ventilerna, vilka fungerar som tryckvakter för att förhindra övertryck i pumparna. Proportionelltrycksventilerna i schemat är avsedda att reglera och hålla ett jämt tryck samt att möjliggöra inställning av olika broms lägen. I hydrauliksystemet finns även en sammankoppling mellan pumparna i axlarna. Se figur 3

Figur 4 Koppling mellan pumpar och hjälpsystem.

Sammankopplingen mellan pumparna är skilda åt med bakventiler för att förhindra påverkan av tryckvariationer från andra delar av systemet. För att få ett självdrivande system används en del av energin från bromstrycket som skapas av huvudsystemet. Resterande enerig tas tillvara av hjälpsystemet genom kopplingen mellan pumparna. Se figur 4

B10 3.2.2 Hjälpsystem

Figur 3 Hjälpsystem

Hjälpsystemet delas upp i fem parallellt kopplade linor som styr fyra motorer var av tre är avsedda att driva kylfläktar och den fjärde har som uppgift att driva matarpumpen i

huvudsystemet. Den sista parallellkopplade linan är en bypass vars huvudsakliga uppgift är att leda rätt mängd olja till kylning. Detta för att inte öka varvtalen på motorerna med ett förhöjt oljeflöde. Se figur 5

När rätt flöde i huvudsystemet har uppnåtts begränsar flödesreglerandeventilerna flödet till kylningslinorna. Detta för att skapa ett reglerbara tryck för bromssystemet med hjälp av proportionelltrycksventilerna i huvudsystemet. De Flödesreglerandeventilerna som är

seriekopplade med riktningsventilerna är till för att ställa in flöden som motorerna behöver vid vissa specifika testlägen. Även bypassen har en flödesreglerandeventil för att rätt mängd olja skall passera till kylning. Bypass linan och de tre linor som är avsedda att driva kylfläktarna har riktningsventiler som har en på och av funktion för att kunna stänga av dessa linor. I vissa testlägen är flödet och trycket för lågt för att kunna driva alla enheter. Detta resulterar i att enheterna måste kunna stängas av för att bibehålla trycket och flödet till de primära funktionerna i systemet.

Vid låga tryck i huvudsystemet sänks varvtalet i fläktmotorerna i hjälpsystemet för att oljetrycket skall kunna dra runt motorerna i den hastighet som krävs. Om inte varvtalet sänks med

flödesreglerandeventiler kommer trycket öka i bromspumparna och denbromsandekraften blir då högre än önskat.

De övre riktningsventiler, som även de har en av och på funktion, har som uppgift att stänga av flödet till två kylare då dessa inte behövs för kylningen. Detta medför att mindre flöde behöver tas ut från huvudsystemet till hjälpsystemet. Vilket innebär att matarpumpen i huvudsystemet arbetar med lägre varvtal. Flödet till hydrauliktanken från kylarna dras sedan igenom ett oljefilter för filtration och det är billigare på grund av att returledningen inte är trycksatt. För att se det slutgiltiga hydraulschemat se bilaga 2.

B11 3.2.3 Beräkningar för hydrauliksystem

Störta delen av beräkningarna för de olika komponenterna gjordes i Excel. Detta för att kunna göra jämförelser med olika komponenter på samma gång. För att senare i projektet kunna specificera komponenterna i kontakten med leverantörerna. En del av beräkningarna i detta examensarbete har sin grund från tidigare studentarbete (Bilaga 1).

Figur 6 Kraft situation

Principen i figur 6 användes som mall för beräkningarna av krafterna som krävs i de olika simuleringssituationerna. Ökade hastigheter innebär sänkt vinkel för att arbetet skall bli det samma för fordonet. Bromskraften beräknades på följande sätt:

(6) 𝑏𝑟𝑜𝑚𝑠𝑘𝑟𝑎𝑓𝑡 =sin(𝑣) × 𝑀𝑔(𝑑𝑟𝑎𝑔𝑓𝑜𝑟𝑑𝑜𝑛) 𝑓𝑟𝑖𝑘𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠𝑘𝑜𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡

Denna beräkning (6) gjordes för att definiera bromsvinkeln för de olika simuleringssituationerna.

Bromskraften räknas ut för att för att bestämma vridmomentet som motorerna behöver producera.

Figur 7 Vridmoments situation

För bestämning av det vridmoment som krävs ställdes följande vridmoments situation upp enlig figur 7. Beräkningarna utgick från följande formel:

(7) 𝑉𝑟𝑖𝑑𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡 = 𝐵𝑟𝑜𝑚𝑠𝑘𝑟𝑎𝑓𝑡 × 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑒𝑛

Dessa beräkningar (6) och (7) gjordes för att kunna avgöra vilka tyck och flöden som behövs för de olika simuleringssituationer som bromsvagnen kommer att utsättas för och vilka

komponenter som behövs för att bygga vagnen. Computer-aided design (CAD) användes för att rita upp de olika komponenterna som behövs samt dragningar av rör och slangar för att

sammankoppling med de andra projektledarna.

B12

4. Resultat

4.1. Beräkningar för tryck och flödes värden.

Beräkningarna för tyck och flöde kommer att utgå från bromseffekter (3) vilket är 100 kW för bandvagn BvS 10 på 16 ton och 500 kW för stridsvagn 90 som är 40 ton. Men även från olika endlägen där läge 1 är hög hastighet och lågt vridmoment och läge 2 låg hastighet och högt vridmoment.

(3) 𝑃_𝑠=𝑇 × 𝑛 9550

Deplacementet CA- 140 är 8800 cc [4] och är grundläggande för alla beräkningar för hydrauliken.

För läge 1 som innebär den högsta möjliga hastighet med bandvagn (BvS 10) med ett lågt vridmoment gjordes följande beräkning(1):

(1) 𝑞_𝑒 =99,47 × 8800 × 0,98

1000 = 875 𝐿 /𝑚𝑖𝑛

Detta innebär att bromsvagnen skapar ett flöde på 875 L /min av olja i 30 km/h. Enligt följande beräkningar (2) uppskattas tryckskillnaderna ∆p till 17 bar.

(2) ∆𝑝 = 20𝜋 × 0,98 × 2388,224

8800 = 17 𝑏𝑎𝑟

Vilket innebär att max hastigheten begränsas till 30 km/h på grund av att trycket blir för lågt.

Läge 2 med låg hastighet och högt vridmoment kommer bandvagnen att behöva ett flöde på 145 L /min (1) och ett tryck ∆p på 105 bar (2) för att kunna köra med den lägsta hastigheten av 5 km/h. I denna beräkning är det flödet som lägger gränsen.

(1) 𝑞_𝑒=16,578 × 8800 × 0,98

1000 = 145 𝐿 / min (2) ∆𝑝 = 20𝜋 × 0,98 × 14455,04

8800 = 105 𝑏𝑎𝑟

För stadsfordon 90 innebär läge 1 att bromsvagnen skapar ett flöde på 1459 L /min (1) och ett tryck på ∆p 50 bar (2) vilket ger en topp hastighet på 50 km/h.

(1) 𝑞_𝑒=165,8 × 8800 × 0,98

1000 = 1459 𝐿 /𝑚𝑖𝑛

(2) ∆𝑝 = 20𝜋 × 0,98 × 7211,8

8800 = 50 𝑏𝑎𝑟

B13 Läge 2 för stridsfordon 90 gav beräkningarna ett flöde 233 L /min (1) och ett tryck ∆p på 329 bar (2). Flödet i denna beräkning innebär att den lägsta hattigheten för stridsfordon 90 är 8 km/h.

(1) 𝑞_𝑒=26,525 × 8800 × 0,98

1000 = 233 𝐿 /𝑚𝑖𝑛

(2) ∆𝑝 = 20𝜋 × 0,98 × 45150

8800 = 329 𝑏𝑎𝑟

Dessa beräkningar ligger till grund för de komponenter som valdes till hydrauliken i bromsvagnen.

4.2 Val och beräkningar av komponenter

Utifrån beräkningarna som gjordes med CA-140 som grund valdes vissa specifika komponenter för huvudsystemet i hydrauliken. GVM-210-050-APN är modellen på El-motorn som valdes för att driva primerpumpen. Specifikationerna på GVM-210-050-APN var enligt leverantören att den kan drivas på 24V med en max effekt på 8,4 kW. [5] Tilläggande information på ampere behov räknades enligt följande exempel:

(5) 𝐼 =⁸⁴⁰⁰

24 = 350 𝐴

Resultatet av dessa beräkningar (5) visade att amperebehov för el-motorn var 350 A och därmed tillräckligt för att driva primerpumpen. Med dessa specifikationer och beräkningar kunde

dragfordonet användas som strömdrivande källa. Pimerpumpen är av märket A2FO med en specifikation på 330 deplacement [6] och valdes för att vara samstämmig med el-motorns vridmoment och rotation.

Matarpumpen A2FO med deplacement 1000 [6] valdes då den är väl anpassad till den drivande motorn MCR5 vilken har ett deplacement på 380.[7] Även här behövdes tiläggs beräkningarför att bekräfta samstämmighet vad gällande varvtal, vridmoment samt tyck och flöden för att för uppnå det optimala matarflödet. Första steget i dessa beräkningar för bandvagn BvS 10 började med att ta reda på hur stor oljemängd som behövs för att fylla huvudsystemet, vilket var 266,6 L/min då bromseffekten ligger på 100 kW. Varvtal och vridmoment i pumpen för att uppnå denna mängd per minut gjordes följande beräkningar (1) för A2FO:

(1) 𝑛 = 0,7 ×266,6 × 1000

1000 = 186 𝑟𝑝𝑚

För att uppnå ett flöde på 266 L/min behöver denna pump rotera med 186 rpm. När bromsvagnen kör med en hastighet på 30 km/h behövs ett matningstryck på 6 bar till

bromspumparna för att förhindra kavitation. Till detta behövdes momentberäkning för att kunna definiera drivande motor för matarpumpen. Detta gjorde enlig följande formel (4):

(4) 𝑇 = 1000 × 6

20 × 𝜋 × 0,7= 136 𝑁𝑚

Beräkningsresultatet visade att pumpen hade ett behov på 136 Nm för att kunna skapa ett tryck på 6 bar.

B14 Liknande beräkningar för samma ändamål gjordes för stadsfordon 90 som har ett behov av 800 L/min för att uppnå 500 kW i bromseffekt. Dessa beräkningar (1) visade:

(1) 𝑛 = 0,7 ×800 × 1000

1000 = 560 𝑟𝑝𝑚

Detta innebär att pumpen behöver rotera med 560 rpm för skapa ett flöde på 800 L/min. När stridsfordon 90 kör i 50 km/h behövs ett tryck på 10 bar matningstryck till bromspumparna för att förhindra kavitation. Beräkningsresultatet visade att pumpen hade ett behov på 226,27Nm för att skapa detta tryck. Se formel (4) nedan:

(4) 𝑇 = 1000 × 10

20 × 𝜋 × 0,7= 226,27 𝑁𝑚

Utifrån dessa resultat gjordes beräkningar på den drivande motorn MCR5 380 när bromsvagnen körs med bandvagn BvS 10. Steg ett var att definiera flödet motorn behöver för att uppnå önskat varvtal till matarpump. Beräkningarna visade att MCR5 380 har ett flödesbehov på 106 L/min för att uppnå varvtalet. Se formel nedan (1).

(1) 𝑞_𝑒 =380 × 186,62

0,7 × 1000 = 106 𝐿 /𝑚𝑖𝑛

Även oljetrycket för uppnå matarpumpens momentbehov beräknades (2).

(2) ∆𝑃 =20𝜋 × 136

380 × 0,7 = 32 𝑏𝑎𝑟

Resultatet visade att MCR5 380 behöver ett tryck på 32 bar för att uppnå detta.

För Stridsvagn 90 visad dessa beräkningar att flödesbehovet var 304 L/min och ett oljetryck på 53,4 bar. Detta enligt beräkningar (1) och (2)nedan:

(1) 𝑞_𝑒 = 380 × 560

0,7 × 1000= 304 𝐿 /𝑚𝑖𝑛

(2) ∆𝑃 =20𝜋 × 226,27

380 × 0,7 = 53𝑏𝑎𝑟

Till huvudsystemet för hydrauliken till bromsvagnen valdes även proportionelltrycksventil av serie RE av Specma då den skulle klara av ett tryck upp mot 350 bar[8], vilket motsvarade maxtrycket från CA-140. Rekommendationerna var även att RE ventilerna skulle klara av att hantera flöden upp mot 1500 L/min. [8] Backventilerna är av Serie CE kan enligt specificationen hantera ett max tryck på 350 bar och ett flöde på 800 L/min[9].

Utifrån tryck och flödesberäkningar rekommenderade företaget KTR kylare OAC2000-04-44-DB4- 0-Z till hjälpsystemet. Tryck och flödesberäkningar visade på en bromseffekt upp mot 500 kW, vilket innebare ett behov av 3 stycken kylre. Dessa kylare skulle klara av att kyla bort de effekter

B15 som uppstår i hydrauliksystemet på bromsvagnen så länge ute temperaturen inte överstiger 30 grader Celsius. Se beräkningar bilaga 3

Flödesreglerandeventilerna valdes serie TDA för att klara av en tryck skillnad upp mot 350 bar och ett flöde på 800 L/min. [10]Riktningsventiler av Serie D1VW har också ett flöde på 800 L/min och skall även klara ett tryck på 350 bar. [11]

Huvudsystemet har ett flöde på 800 L/min till hjälpsystemet som sedan leder till hydrauliktank vilket innebär att denna bör vara gjort för en total volym på minst 800 liter olja för bromsvagnen.

Tanken för hydrauliksystemet levererades av KTR. Se figur 8 för illustration av hydrauliktank

Figur 8 Hydrauliktank

För att öka trycket men även för att kunna backa och transportera vagnenen utan att den bromsar kommer en frihjulningsventil byggas på CA-140 för att kunna frikoppla vissa bromspumpar. Se figur 9 för beskrivning av frihjulningsventilen.

s

Figur 9 Frihjulsventil

Två frihjulsventil per motor, sammanlagt åtta stycken för hela hydrauliksystemet, behövs för att öka trycket vid bromslägen där hastigheter hög och det byggs upp för låga tryck för att kunna driva hjälpsystemets motorer. Med frihjulingsventil kan 2 motorer kopplas ur för att höja trycken men även minska på flödena som skapas under simuleringssituationen. Exempelvis när

bandvagnen körs med 30 km/h i bromsvagnen kommer tycket att vara för lågt. Detta innebär att vridmomenten i hjälpsystemets motorer är för högt och inte att klara av att driva matarpump och fläktar. Dessa frihjulsventiler kommer som ett tillägg till CA- 140 av leverantören.

B16

4.3 Hydrauliksystemet och sammankoppling med bromsvagn.

För att få en bild över hur hydrauliksystemets ventiler och slangar skulle passa in i bromsvagnens konstruktion gjordes 3D modeller. Detta för att kunna se om det var fysiskt möjligt att använda komponenter av denna storlek.

Figur 10 Ventilblock

B17 i Figur 10 ses ett förslag till sammansättning av proportionelltrycksventilerna (tryckventiler) tillsammans med backventiler och hur de kan anslutas till bromspumparna.

Figur 4 Ventil packet i axlar

För att spara plats valdes rör och rör krökar som anslutning till frihjulningsventilerna och pumparna, CA-140. I Figur 4. kan anslutningen av ventilpaketet till frihjulningsventilerna och bromspumparna, CA-140 ses. Ventilerna är monterad i en botten platta som fästs inne i axlarna.

Figur 5 Axel koppling

Anslutning av ventilblock från både fram- och bakaxel till den överdelen av bromsvagnen görs med tre rör. Dessa rör har olika uppgifter så som inmatning till bromspumparna, transporterar trycksatt olja för att driva hjälpsystemet och utmatningsröret leder olja i det slutna systemet.

Slangar används för att ansluta ventilblocket till dessa rör. Figur 12.

B18

Figur 6 Axel koppling med axlar

Figur 13 illustrera hur denna koppling är ansluten i bromsvagnskonstruktionen.

Figur 7 Fullständig bromsvagn

I figur 14 kan den fullständiga bromsvagnen ses.

4.4 Failure modes and effect analysis

Failure mode and effect analysis (FMEA) gjordes för att kunna hitta svagheter i konstruktion med hela hydraulsystemet kopplat mot de övriga delarna. Detta för att utvärdera vilka delar av projektet som kommer behöva utvecklas vidare. FMEA delades in i 4 kategorier:

 Stillestånd -Risker bedömda med avseende på projektstillestånd.

 Ekonomi -Risker bedömda med avseende på kostnad på komponenter.

 Människoskaror -Risker bedömda med avseende på personskador.

 Miljö -Risker bedömda med avseende på miljöförorening.

Feleffekts skalor till FMEA analysen gjordes tillsammans med de andra delarna i projektet eftersom det skulle sammanställas till en rapport för inlämning till BAE systems. Resultatet av dessa analyser kan ses i tabell 1.

B19

Tabell 1 Resultat av Feleffektsberäkningar

Kategorier Poäng

Ekonomi

Stor kostnad 10

Medelstor kostnad 6

Liten kostnad 3

Miljöförstöring

Oljeläckage i vattendrag/vattentäkt 9

Oljeläckage på mark med spridningsrisk 7

Stort oljeläckage utan spridningsrisk 5

Människoskador

Död 10

Allvarlig personskada 9

Personskada 6

Mild personskada 3

Stillestånd

>= 1 år 10

6 mån 8

4 mån 7

2 mån 5

1 mån 4

2 veckor 2

1 vecka 1

Sannolikheten att felet uppstår

Extremt troligt 10

Möjligt 5

Osannolikt 1

Sannolikhet av upptäckt innan skadan är skedd beroende på kontrollmetod

Upptäcks inte innan skada 10

Okulärbesiktning 5

Vid systemvarning 1

Med felberäkningarna som grund tas olika scenarion fram för att kunna värdera riskerna i situationen för att kunna hitta svagheter i konstruktionen. För att sedan kunna presentera underlag för vidare utveckling av bromsvagnen. Se bilaga 4 för värdering av scenarierna tillsammans med poängen.

B20

5. Diskussion

I denna del av examensarbete kommer jag att diskutera huvudresultaten, orsaker till dessa resultat samt framtida lösningar för de lösningar som inte uppnådde förväntade önskemålen.

Men även en metoddiskussion över projektarbetet.

5.1 Huvudresultat

Det primära syftet med hydrauliksystemet var att skapa en bromskraft med vagnen. Resultatet av beräkningarna och konceptkonstruktionen gav bandvagn BvS 10 en maximala hastighet av 30 km/h och en lägsta hastighet på 5 km/h i bromsvagnen. För Stridsfordon 90 blev topphastighet 50 km/h och lägsta hastighet 8 km/h. I konstruktionen anpassades El-motorn, GVM-210-050- APN, till primingpumpen, A2FO 330, som försåg huvudsystemet med olja innan start.

Matarpumpen, A2FO 1000, i hydrauliken var avsedd att fylla på olja till bromspumpar, CA- 140, i huvudsystemet men även vara synkad till den drivande motorn, MCR5 380.

Proportionelltrycksventilerna, serie RE, som användes i huvudsystemet var avsedda att förse systemet med lätt varierad bromskraft. Hjälpsystemet konstruerades med syfte att fördela den energi som bildade vid inbromsning av fordonen som testades genom ta tillvara en del av energin för att kyla den värmeeffekt som bildas vid bromssimuleringarna. För att prioritera fördelningen av oljeflöde i hjälpsystemet användes riktningsventiler, serie D1VW.

För konstrstruering av hydrauliksystemet användes både rör och slangar för att anpassa till de andra delarna av bromsvagnen. FMEA visade att bromspumparna behöver kylning till

pumphusen men även att kylarradiatorerna är känsliga för hård terräng.

5.2 Orsaker till resultaten

Utgångspunkten för hydraulsystemet var att använda bromspumpar CA- 140 vilka är producerade av Hägglunds drive systems. Dessa valdes för att de har en nominell

rotationshastighet på 170 rpm som ansågs i projektet vara inom rimliga värden då målet var 165 rpm med en däcksdiameter på 1,6 m. Dessa värden påverkade valet av de andra delarna i hydrauliksystemet.

El-motorn, GVM-210-050-APN och primingpumpen, A2FO 330, upp fyllde det syfte som ställdes på enheterna och påverkade inte det slutgiltiga resultatet. Proportionelltrycksventilerna, serie RE, valdes framför flödesbegränsningsventiler. Detta för att det var lättare att justera fasta bromslägen på vagnen eftersom flödesventiler är mera beroende av flödet från bromspumparna.

Riktningsventiler, serie D1VW, var viktiga att använda för att kunna prioritera viktiga funktioner i för att undvika exempelvis kavitationer i bromspumparna, CA- 140.

Däremot kom matarpumpen, A2FO 1000, och divandemotorn, MCR5 380, påverkade hela systemet som skulle vara själv drivande. Med dessa delar uppnås endast 30 km/h för bandvagn, BvS 10, vilket var under den önskade hastigheten av 50 km/h. När bandvagn, BvS 10, kör över 30 km/h behövs ett högre inmatningstryck i bromspumpar CA- 140 och därmed skapas ett behov av högre vridmoment till matarpump som medför att drivande motor, MCR5 380, behöver ett högre tryck för att uppnå detta vridmoment. För att köra under de tidigare nämnda lägsta

hastigheterna krävs ett högre flöde än det bromspumparna CA- 140 skapar vid det varvtalet för både bandvagn, BvS 10 och stridsfordon 90. Detta gör att bromsvagnen inte kan köra ett önskat

”Steady- state”. Dock uppnåddes önskad topphastig hastighet med stridsfordon 90.

B21

5.3 Framtida lösningar

För att uppnå de önskade hastighetskraven kan den drivande motorn till matarpumpen vara en extern och oberoende av hydrauliksystemet. För att åtgärda överhettningsproblemen i

bromspumparna, CA- 140, bör en del av oljan från kylarna dras genom bromspumparnas spolningskanaler för att kylla dem. En temperatursensor i returledningen kunde även bidra i övervakningen av värmen i bromspumparna för att undvika överhettning. För att minska kylarradiatorernas känslighet för hård terräng kunde någon typ av skydd monteras utanpå exempelvis ett skyddsgaller.

5.4 Metoddiskussion

För att underlätta arbetet med hydraulikdelen skulle det lagts mer tid på att planera upp projektet på en högre detaljnivå. Vilket skulle innebära att varje moment i mitt examensprojekt anpassades bättre med de andra delarna i bromsvagnsprojektet. Detta för att undvika många av de problem som uppstod under projektets gång.

B22

Referenslista

[1] Wikipedia (2018). BAE systems https://sv.wikipedia.org/wiki/BAE_Systems. (Hämtad 2018- 05-17)

[2] Wikipedia (2018) BAE Systems AB https://sv.wikipedia.org/wiki/BAE_Systems_AB. (Hämtad 2018-05-17)

[3] John Hillbom (2006) Powerful enginering Örnsköldsvik : hägglunds drives [4] Bosch Rexroth (2009). Compact CA.

https://md.boschrexroth.com/modules/BRMV2PDFDownload-internet.dll/EN396-

10h.pdf?db=brmv2&lvid=1154878&mvid=13366&clid=20&sid=E5252C11870AA97D2EDE3198D4 01CCE9.borex-tc&sch=M&id=13366,20,1154878 (Hämtad 2018-04-05)

[5] Parker Hannifin Coporation (2016) GVM Global Vehicle Motor

http://www.parker.com/Literature/Electromechanical%20Europe/Literature/192_300108_GVM_

catalogue.pdf. (Hämtad 2018-04-25)

[6] Bosch Rexroth (2012) Axial Piston Fixed Pump A2FO

https://md.boschrexroth.com/modules/BRMV2PDFDownload-internet.dll/re91401_2012- 06_.pdf?db=brmv2&lvid=1165678&mvid=13366&clid=20&sid=E5252C11870AA97D2EDE3198D4 01CCE9.borex-tc&sch=M&id=13366,20,1165678 (Hämtad 2018-04-20)

[7] Parker Hannifin Coporation (2009) Radial piston motors for industrial applications MCR-D MCR-E. https://md.boschrexroth.com/modules/BRMV2PDFDownload-

internet.dll/re15196_2017-

02.pdf?db=brmv2&lvid=1200339&mvid=13361&clid=20&sid=0577955E2A0D02CE124D56C0ADB 5B160.borex-tc&sch=M&id=13361,20,1200339 (Hämtad 2018-04-20)

[8] Parker Hannifin Coporation (2017) Proportional Pressure Relief Valve Series RE*E*W.

http://www.parker.com/Literature/Industrial-Systems-Division-

Europe/Catalogues/Industrial%20Valves%20UK/08/RE_E_W%20UK.pdf. (Hämtad 2018-04-20) [9] Parker Hannifin Coporation (2015) 2-Way Slip-In Cartridge Valves Series CE, CP, C

http://www.parker.com/Literature/Industrial-Systems-Division-

Europe/Catalogues/Industrial%20Valves%20UK/08/CE-C%20UK.pdf (Hämtad 2018-04-20) [10] Parker Hannifin Coporation (2015) 2-Way Propotional Throttle Valve Series TDA.

http://www.parker.com/Literature/Hydraulic%20Controls%20Europe/HY11- 3500UK/PDF_2013/TDA%20UK.pdf (Hämtad 2018-04-20)

[11] Parker Hannifin Coporation (2015) Directional Control Valve Series D1VW.

http://www.parker.com/Literature/Industrial-Systems-Division-

Europe/Catalogues/Industrial%20Valves%20UK/02/D1VW%20UK.pdf. (Hämtad 2018-04-20)

B23

Bilaga 1

B24

B25

B26

B27

B28

B29

B30

B31

B32

B33

B34

B35

B36

B37

B38

B39

B40

B41

B42

B43

B44

B45

B46

B47

B48

Bilaga 2

B49

Bilaga 3

B50

Bilaga 4