Dynamic modelling and analysis of gun turret elevation drive system

Abstract

Silah kulesi yükseliş ekseni için MATLAB/Simulink ve çoklu cisim dinamiği programı MSC-Adams kullanılarak dinamik modeller geliştirilmiştir. Modelleme esnasında eksen tahriki için kullanılan elemanların esneklikleri ile, rulmanlardaki viskoz sönümleme göz önünde bulundurulmuştur. Silah kulesini temsilen oluşturulan farklı serbestlik derecelerine sahip dinamik modeller, durum uzayı modeli şeklinde tanımlanmış ve birbirleri ile karşılaştırma amaçlı kullanılmışlardır. Sistem hakkında basit fikir sahibi olma amaçlı zaman ve frekans düzlemlerinde analizler sunulmuştur.Dişli esnekliklerini sisteme dahil edebilmek için dişli dinamiği teorisinin temel terimleri açıklanmıştır. Bu esneklikleri modele dahil edebilmek için dişlilerin arasındaki yay direngenliği ve sönümleme katsayısı literatürdeki farklı modeler ile karşılaştırılmıştır. Diş kontağı sırasında oluşan deformasyonlar bulunurken bir diş üzerindeki eğilme, kesme, diş dayanağındaki deformasyonlar ve Hertz deplasmanları ayrı ayrı hesaplanmıştır. Literatürdeki Hertz kontağı modelleri birbirleri ile karşılaştırmak amacı ile hesaplanmış ve aralarındaki farklar gözlemlenmiştir.Açıklanan kontak parametreleri kullanılarak oluşturulan dişli dinamiği dinamik modeli, diş boşluğu ve dişli darbesini hesaba katmıştır. Ayrıca dişlilerin arasındaki yağlayıcının özelliklerine bağlı gerçekçi bir dişli sürtünme modeli oluşturulan dinamik modele dahil edilmiştir. Oluşturulan bu dişli dinamiği etkileri silah kulesi modeline koyularak dişlilerdeki esnekliklerin tüm sisteme olan etkileri zaman ve frekans düzlemlerinde incelenmiştir. Oluşturulan model ve MATLAB kullanılarak, verilen bir referans hız girdisini takip eden bir kontrolcü tasarlanmıştır.MATLAB ve Simulink ortamlarında oluşturulan tüm modeler çoklu cisim benzetim programı MSC Adams kullanılarak doğrulanmıştır. Daha sonra; silah kulelerinde yaygın olarak kullanılan tipte bir diş boşluğu alma mekanizmasının sistem üzerindeki etkileri, geliştirilmiş olan çoklu cisim modeli kullanılarak araştırılmıştır.

In this thesis, dynamic models for the elevation axis of a gun turret are developed by using MATLAB/Simulink and the multi-body dynamics program MSC-Adams. The developed models include the driveline stiffnesses of individual components as well as the viscous damping of the bearings in the elevation drive-train. State space representations of gun turret model with different degrees of freedoms are presented and compared with each other. Both time and frequency domain analysis are conducted in order to get a basic idea about the behavior of the system.The theory of gear dynamics is introduced as a first step for integrating the flexibilities of gear pairs into the gun turret model. For this purpose, different gear mesh stiffness and gear mesh damping models available in the literature are investigated. The elastic contact forces in the gear-train are computed by taking into account the gear deformations due to bending, shear, foundation deflection and Hertzian contact of the gear tooth. The existing Hertzian contact models in the literature are compared against each other and difference between them is investigated.With the help of the contact parameters, the gear dynamics model is constructed that takes into account backlash and gear impact. Furthermore, a realistic friction model which takes into account the lubricant characteristics is added to the developed gear dynamics model. The effect of gear dynamics on the overall performance characteristics is then investigated in both time and frequency domains. A controller is designed via MATLAB for tracking a reference input speed by using the developed model.All of the analytical formulations that are developed in MATLAB-Simulink, are verified by the multi-body dynamics program MSC Adams. Dynamic effects of the anti-backlash mechanism which is commonly used in gun turret drives is investigated by means of the developed MSC Adams model. Various target tracking scenarios are constructed and different simulations are conducted in MSC Adams.