OTEKON 2014 7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 26 – 27 Mayıs 2014, BURSA ANA MUHAREBE TANKI KULE DÖNME EKSENİ ATALET MOMENTİNİN (I ZZ ) ALTI EKSENLİ HAREKET SİMÜLATÖRÜ ÜZERİNDE ÖLÇÜLMESİ İzzet Çokal, Erdal Usta Otokar Otomotiv ve Savunma Sanayi A.Ş., Sakarya ÖZET Paletli ve tekerlekli askeri araçların atış kontrol sistemlerinin tasarım ve optimizasyon sürecinde; kule yapısının kütlesel ve ataletsel özellikleri büyük öneme sahiptir. Kulenin toplam ağırlığı, ağırlık merkezinin dönme merkezine olan uzaklığı ve dönme eksenindeki atalet momentinin büyüklüğü; atış kontrol sisteminde kullanılan eyleyicilerin performansını doğrudan etkilemektedir. Atış kontrol sisteminin performans gereksinimlerini karşılayabilecek kapasitede doğru eyleyicilerin seçilebilmesi için, ağırlık merkezinin (cog) ve dönme ekseni atalet momentinin (I zz ) doğru bir şekilde ölçülmesi gerekmektedir. Bu makalede, Otokar A.Ş. tarafından geliştirilen Ana Muharebe Tankının kule atalet momentinin altı eksenli simülatör üzerinde ölçüm metodu anlatılmaktadır. Anahtar Kelimeler: Altı Eksenli Simülatör, Yük hücresi, Açısal Hız Sensörü, Veri Toplama Sistemi, Atalet Momenti, Ağırlık Merkezi ABSTRACT Weight distribution and inertial properties of wheeled and tracked military vehicle turrets, have an essential role on the design and optimisation of firing control systems. Total weight of the turret, distance of center of gravity (cog) to the rotation axis and the magnitude of inertia around the rotation axis (I zz ); directly affects the performans of the actuators used in firing control system. In order to choose the correct actuators to meet the performance requirement of the firing control system, it is important to measure the COG and inertia around the rotation axis appropriately. In this paper, measuring method of the Inertia of Main Battle Tank Turret developed by Otokar A.Ş. is described. Keywords: Six-Dof Simulator, Loadcell, Angular Rate Sensor, Data Acquisition System, Inertia, COG Çalışmanın son bölümünde; simülatörden ve ölçüm ekipmanlarından kaynaklanabilecek hata yüzdelerinin belirlenmesi ve ölçüm metodunun hata mertebesinin belirlenmesi anlatılacaktır. 1. GİRİŞ Bu çalışmada öncelikle altı eksenli simülatör üzerinde kule atalet momentinin ölçülmesi için geliştirilen metod anlatılacaktır. Daha sonra, ölçüm sırasında takip edilen adımlar ve bu adımlarda elde edilen veriler kullanılarak hesaplanan sonuçlar anlatılacaktır. Ayrıca hesaplanan sonuçların CAD modelinde elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmasına da yer verilecektir. 2. ATALET MOMENTİ ÖLÇÜM METODU Kule yapısının alt tarafında, tankın gövdesine bağlanmasını sağlayan ve kendi etrafında 360o 1 olarak gösterildiği gibi, kule dönme ekseni (Rz) etrafında sağa veya sola döndürüldüğünde, yük hücresi üzerinde kule dönme merkezine dik doğrultuda bir çekme veya basma kuvveti oluşmaktadır. dönmesine olanak sağlayan rulmanlı bir çember dişli bulunmaktadır. Kule özel bir adaptör aracılığıyla, çember dişlisinden hareket simülatörünün üst platformuna bağlanmıştır. Şekil-1: Tank Kulesinin 6-eksenli simülatör üzerinde görünümü Kule çember dişlisinin, serbest hareket eden alt ve üst parçalarına, birbirine paralel bakacak şekilde iki adet braket tasarlanmış ve monte edilmiştir. Braketlerin paralel yüzeyleri arasına 10 ton kapasiteli, çekme ve basma yönünde ölçüm alabilen bir yük hücresi monte edilmiş, böylece rulmanın alt ve üst parçaları Şekil2’de de görüldüğü gibi yük hücresi üzerinden birbirlerine sabitlenmiştir. Şekil-3: Kulenin dönüşü esnasında yük hücresi üzerinde oluşan F kuvveti Kulenin dönme ekseni etrafındaki atalet momenti, dönme ekseni etrafındaki açısal ivmesi ve yük hücresi üzerinde oluşan kuvvet arasında aşağıdaki gibi matematiksel bir bağıntı oluşturmak mümkündür. Tork = Atalet momenti x Açısal İvme Atalet Momenti = Tork / Açısal İvme Atalet Momenti = (Kuvvet x Yarıçap) / Açısal İvme Izz = [ F x r L ] / Acc Rz Izz : Z ekseni dönme yönünde hesaplanan atalet momenti (kg*m^2) F : Yük hücresi üzerinden ölçülen kuvvet RMS değeri (N) rL : Yük hücresi ekseninin dönme eksenine uzaklığı (m) Şekil-2: Braketler ve yük hücresinin görünümü Acc Rz Alt ve üst çembere monte edilen braketler aracılığıyla yük hücresinin çekme-basma ekseninin kule çemberinin merkez noktasına dik doğrultuda pozisyonlanması sağlanmıştır. Şekil-3’te şematik : Z ekseni dönme yönünde ölçülen açısal ivme RMS değeri (rad/s^2) Kule dönme ekseni atalet momentinin ölçülebilmesi için; altı ekseni hareket simülatörüne dönme ekseni 2 Şekil-4’te farklı genliklerde uygulanan açısal ivme verisi ve hareket esnasında ölçülen kuvvet verisi görülmektedir. ektrafında farklı genliklerde tekrarlı sinüsoidal açısal ivme komutları verilmiştir. Simülatör platformunun hareketi; yük hücresi ve braketler üzerinden kuleye aktarılmış, kule ve platform birlikte hareket etmişlerdir. Hareket esnasında; yük hücresi üzerinde oluşan kuvvet veri toplama sistemi ile kayıt altına alınmıştır. Ayrıca sisteme verilen açısal ivme komutunun doğruluğunun kontrol edilmesi amacıyla, kule üzerine yerleştirilen açısal hız sensörleri ile açısal hız ve ivme verileri eş zamanlı olarak kayıt altına alınmıştır. Elde edilen kuvvet ve açısal ivme verileri yukarıdaki denklemlere yerleştirilmiş ve kule dönme ekseni etrafındaki atalet momenti hesaplanmıştır. Yukarıdaki ölçümlere ek olarak; kule çemberi üzerindeki braketlerin ve yük hücresinin takılı olmadığı durumda, kulenin statik halden hareketli hale geçişi için gerekli kuvvet harici bir yük hücresi ile ölçülmüştür. Ölçülen kuvvet, yükün uygulandığı noktanın dönme merkezine olan mesafesiyle çarpılarak çember dişlinin statik sürtünme torku hesaplanmış ve hesaplara dahil edilmiştir. Şekil-4: Farklı genliklerde açısal ivme ve kuvvet verileri Her bir genlik için itme ve çekme yönlerinde ayrı ayrı atalet momenti hesabı yapılmış, sonrasında sonuçlar tablo haline getirilerek sapma yüzdesi hesaplanmıştır. Aşağıdaki tabloda hesaplama sonuçları gösterilmektedir. Projenin gizliliği nedeniyle, kuvvet ve yarıçap değerleri gizlenmiş, atalet momenti değerleri ise ortalama değere oranlanarak verilmiştir. Yük hücresi ve braketlerin dönme ekseni etrafındaki atalet momentleri CAD ortamında hesaplanarak, ölçümler sonucu elde edilen Kule atalet momenti değerinden çıkarılmıştır. Testler sırasında takılı olmayan eyleyici ve eyleyici bağlantılarının da atalet momentleri CAD ortamında hesaplanarak ölçümlere ilave edilmiştir. 3. ÖLÇÜM ADIMLARI VE HESAPLAMALAR Testler sırasında, simülatöre 1 Hz frekansında ve dört farklı genlikte sinüsoidal açısal ivme komutu verilmiştir. Simülatör, dönme ekseni etrafında sağa ve sola doğru 1 Hz frekansında salınarak platformu ve kuleyi hareket ettirmiştir. Hareketin sağ tarafına doğru alt braket çekme yaptığı için yük hücresi üzerinde (+) işaretli uzama kuvveti oluşmuş, sol tarafa doğru ise alt braket itme yaptığı için (-) işaretli basma kuvveti oluşmuştur. Aynı şekilde, açısal hız sensörü de (+) ve (-) işaretli ölçüm almıştır. Açısal hız verisi ve kuvvet verisi, veri analiz yazılımında alçak geçirgen filtre uygulanarak gürültüden arındırılmıştır. Daha sonra açısal hız verisinin türevi alınarak açısal ivme verisi elde edilmiştir. F rL Acc Rz Izz (N) (m) (rad/s^2) (kg*m^2) 22830 0,942 0,47 100,23 23130 0,942 0,48 99,41 46600 0,942 0,95 100,67 46760 0,942 0,95 101,01 69970 0,942 1,44 99,19 69940 0,942 1,43 99,84 86950 0,942 1,79 99,44 87130 0,942 1,78 100,21 ORTALAMA DEĞER 100,00 Tablo-1: Ölçüm sonuçları ve hesaplanan Atalet Momenti değerleri Sonuçlar incelendiğinde; yapılan ölçümlerde ortalama değer etrafında yaklaşık ± %0,8 mertebesinde bir sapma olduğu görülmektedir. 3 Şekil-6’da görüldüğü üzere sistem Rz ekseninde 1,0 rad/sn^2 açısal ivmesiyle hareket ederken; Ty ekseninde 0,05 m/s^2, Tz ekseninde ise 0,1 m/s^2 mertebesinde çok düşük bir sinüsoidal hareket oluşmaktadır. Metebenin çok düşük olmasıyla birlikte; Tx ve Ty yönündeki hareket ile Rz yönündeki hareket esnasında 90 derecelik bir faz farkı da vardır, Rz yönündeki ivme maksimum değerine ulaştığında Tx ve Ty yönündeki hareketler sıfıra düşmektedir. Bu sonuçtan da anlaşılacağı üzere, ölçüm metodolojisinde sistemin kontrol kabiliyetinden kaynaklanan hata mertebesi sıfırdır. Kulenin CAD modeli kullanılarak, CAD yazılımında da dönme ekseni etrafındaki atalet momenti hesaplanmıştır. CAD modeli üzerinden hesaplanan atalet momenti değeri, ölçümlerin ortalama değerine oranlandığında 99,77 değeri elde edilmiştir. CAD modeli üzerinden yapılan hesaplama ile ölçüm sonucu elde edilen değer arasında % 0,23’lük bir hata payı görülmüştür. 4. ÖLÇÜM METODUNUN MERTEBESİNİN BELİRLENMESİ HATA Kule dönme ekseni atalet momenti hesaplanması için kullanılan ölçüm metodolojisinde hataya neden olabilecek faktörler aşağıdadır: • Hareket simülatörünün, dönme ekseni dışındaki diğer eksenlerde kontrol kabiliyeti Şekil-6: Sistem geri bildirim sinyallerinden elde edilen Rz, Tx ve Ty sinyalleri 4.2 Yük Hücresinin Doğruluğunun Tesbiti: Şekil-5: Hareket simülatörü eksen takımı gösterimi Frekansa Bağlı Ölçüm Yük hücresinin statik ve dinamik ölçümler arasındaki ölçüm doğruluğunun tesbiti için, Şekil-7 gösterilen test düzeneği kurulmuştur. • Yük hücresinin dinamik ölçümlerde frekansa bağlı ölçüm doğruluğu yüzdesi • Yük hücresinin olası yanal kuvvetlere karşı duyarlılığı 4.1 Hareket Simülatörünün Kontrol Kabiliyetinin Ölçüm Doğruluğuna Etkisi: Hareket simülatörünün, dönme ekseni (Rz) dışındaki eksenlerde kontrol kabiliyetinin tesbit edilmesi için, sisteme dönme ekseni etrafında sinüsoidal hareket komutu verilmiştir. Hareket esnasında, sistem üzerindeki geri bildirim sinyallerinden platformun X ve Y eksenlerindeki lineer hareketleri (Tx, Ty) kayıt altına alınarak, ölçümlerde herhangi bir hataya neden olup olmayacağı kontrol edilmiştir. Şekil-7: Yük hücresi test düzeneği Yük hücresi servalf kontrollü hidrolik piston ile bir tarafı sabit yay arasına yerleştirilmiştir. Pistona sabit bir genlikte 0,25 Hz – 3,00 Hz arası sinüs hareket komutu gönderilerek hareket ettirilmiş, bu esnada yük 4 hücresi üzerinde oluşan kuvvet veri toplama sistemi ile kayıt altına alınmıştır. Şekil-8: Yük hücresi frekansa bağlı kuvvet ölçümü grafiği Şekil-9: Yük hücresi yanal yük test düzeneği Herbir frekans için ölçülen kuvvetlerin genlik değerleri oranlanarak, sensörün 0,00 Hz – 3,00 Hz arası sapma miktarı elde edilmiştir. Hesaplanan sapma miktarı % 0,9’dur. 5. SONUÇ 4.3 Yük Hücresinin Yanal Kuvvetlere Karşı Duyarlılığının Tesbiti Yapılan çalışmalar sonucunda; altı eksenli simülatör üzerinde kule dönme ekseni atalet momenti ölçümü metodolojisinin, uygulanabilir bir metod olduğu görülmüştür. Çember dişlinin alt ve üst parçalarına monte edilen braketler yapısal olarak analiz edilmiş ve kuvvete bağlı esneme miktarlarının ihmal edilebilir mertebelerde olduğu görülmüştür. Sistem üzerinde tahmin edilenin dışında bir esneme oluşma ihtimaline karşılık yük hücresi üzerinde oluşabilecek yanal yüklerde, yük hücresinin ölçüm sonuçlarının bu yüklerden etkilenmemesi gerekmektedir, yük hücresinin yanal yüklere karşı duyarsız olması gerekmektedir. Farklı açısal ivme genliklerinde alınan ölçümler arasındaki sapma miktarı (± %0,8) ve yük hücresinin frekansa bağlı ölçüm sapma miktarı (%0,9) gözönünde bulundurulduğunda; metodun nihai güvenilirlik mertebesinin %2,0 - %3,0 civarında olduğu görülmektedir. Test metodu farklı boyut ve ağırlıklardaki silah kuleleri kullanılarak tekrarlanmış, ölçüm sonuçları CAD modellerinden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmış, sonuçların tekrarlı ve metodun güvenilirliğinin yüksek olduğu görülmüştür. Sensörün yanal yük altındaki tepkisini tesbit etmek amacıyla Şekil-9’da gösterilen düzenek oluşturulmuştur. Yük hücresi yatay eksende düzeneğe sabitlenmiş, ve sensörün yan yüzeyine dikey yönde yaklaşık 4 ton kuvvet uygulanmıştır. Sensör S tipi forma sahip olduğundan, kendi ekseninde 90 derece çevrilerek tekrar düzeneğe bağlanmış, kuvvet yüklemesi yapılırken sensörün sinyal çıkışı ölçülerek, yanal kuvvete karşı herhangi bir sinyal üretmediği tesbit edilmiştir. İşlem sonucunda, sensörün yanal yüklere karşı duyarsız olduğu tesbit edilmiştir. KAYNAKLAR 1. TOP 1-2-504, Physical Characteristics of Wheeled and Tracked Vehicles, 1972 2. Taylor, John R. An Introduction to Error Analysis: The Study of Uncertainties if Physical Measurements. University Science Books, 1982. 3. P.V. Bork, H. Grote, D. Notz, M. Regler. Data Analysis Techniques in High Energy Physics Experiments. Cambridge University Press, 1993. 5