Podręcznik

3.2. Parametry techniczne podwozi zrobotyzowanych

W poprzednim punkcie wskazano na rodzaje przeszkód terenowych, które podwozie mobilne zazwyczaj pokonuje w swoim środowisku pracy bez względu na to, czy jest załogowym czy bezzałogowym. Za przykład przeszkód posłużyła pionowa ściana, wzniesienie o różnym stopniu nachylenia oraz rów lub okop.
Należy nadmienić, że określenie rodzaju potencjalnych przeszkód dla pojazdu mobilnego powinno poskutkować uwzględnieniem tego w postaci zapewnienia projektowanemu podwoziu zrobotyzowanemu określonych parametrów technicznych, począwszy od samej konstrukcji nośnej podwozia a skończywszy na elementach napędowych. Przedstawione zależności (3) do (8) są tylko wybranymi i mogą posłużyć do obliczenia niektórych parametrów podwozia, ale nie wszystkich. Jest tak, ponieważ złożoność mechatroniczna niektórych rozwiązań podwozi zrobotyzowanych jest tak duża, że przy opracowywaniu ich konstrukcji projekt należy poprzedzać badaniami symulacyjnymi na maszynie cyfrowej, co niejednokrotnie czyni, że znane zależności matematyczne są bezużyteczne. Dodatkowo zamiar uwzględnienia montażu systemu typu CPK w podwoziu zrobotyzowanym pojazdu mobilnego rzutuje na jego podwyższoną zdolność terenową, co z kolei również wykracza poza wartości wyliczone ze znanych zależności matematycznych.
Należy zaznaczyć, że pomimo złożoności zagadnienia, o którym była mowa wyżej, przy projektowaniu podwozia mobilnego należy kierować się znanymi standardami, które obowiązują przy tego typu podwoziach i muszą być zapewnione przy projektowaniu podwozia, przy czym niektóre „pasują” do robotów mobilnych zaś inne do pojazdów wielozadaniowych. Poniżej wyszczególniono wybrane standardy posiłkując się także rysunkami. 

I.    RODZAJE KONSTRUKCJI PODWOZI ZROBOTYZOWANYCH
Rodzaj konstrukcji podwozia, czyli zespołu elementów, które odpowiadają za przeniesienie napędu z silnika (silników) napędowych na koła podwozia oraz za zachowanie się tegoż podwozia w terenie, jest najważniejszym pierwszym parametrem, który powinien być w tym miejscu wymieniony. To bowiem od koncepcji właściwego doboru rodzaju konstrukcji podwozia zależeć może później, czy oraz w jakim stopniu podwozie to sprosta wymaganiom podwozia zrobotyzowanego. Jest rzecz zrozumiałą, że pewne konstrukcje podwozi predysponowane są do wykorzystania np. w robotyce mobilnej, czyli w pojazdach stricto wykorzystywanych do realizacji zadań na małych przestrzeniach, np. hala produkcyjna, zaś inne w pojazdach w trudnym terenie.  
1.    Podwozia mobilne 3-kołowe.

• dwa koła centralne w napędzie różnicowym z trzecim kołem podparcia wielokierunkowym – rysunek 20.

Rysunek 20: Napęd różnicowy dwóch kół plus trzecie koło tzw. koło podparcia

• dwa koła niezależnie napędzane z trzecim kołem podparcia – rysunek 21.

Rysunek 21: Dwa niezależnie napędzane koła plus trzecie koło podparcia

• dwa wolne koła z trzecim kołem napędzanym i kierującym – rysunek 22.

Rysunek 22: Dwa wolne koła plus trzecie napędzane i kierujące zarazem

• dwa koła połączone i napędzane plus trzecie koło kierujące – rysunek 23.

Rysunek 23: Dwa koła połączone i napędzane plus trzecie kierujące

• trzy napędzane koła szwedzkie lub sferyczne w układzie trójkąta – rysunek 24.

Rysunek 24: Trzy napędzane koła szwedzkie w układzie trójkąta

2.    Podwozia mobilne 4-kołowe.

• dwa koła tylnej osi napędzane, koła przedniej osi kierowalne – rysunek 25.

Rysunek 25: Dwa koła tylnej osi napędzane plus kierowalne koła przedniej osi

• dwa koła przedniej osi kierowalne i napędzane, dwa koła tylnej osi bez napędu – rysunek 26.

Rysunek 26: Dwa koła przedniej osi napędzane i kierowalne plus dwa koła tylnej osi bez napędu

• cztery koła napędzane i kierowalne – rysunek 27.

Rysunek 27: Cztery koła napędzane i kierowalne

• dwa koła napędzane w układzie różnicowym plus dwa koła podparcia wielokierunkowe – rysunek 28.

Rysunek 28: Dwa koła napędzane w układzie różnicowym plus dwa koła podparcia

• dwa koła napędzane w napędzie różnicowym i dwa dodatkowe wielokierunkowe – rysunek 29.

Rysunek 29: Dwa koła napędzane w napędzie różnicowym plus dwa wielokierunkowe

3.    Podwozia mobilne wielokołowe.

• dwa koła napędzane i kierowalne umieszczone centralnie plus po jednym kole wielokierunkowym w każdym narożniku pojazdu – rysunek 30.

Rysunek 30: Dwa koła napędzane i kierowalne plus cztery koła wielokierunkowe po jednym w narożniku

• dwa koła napędzane w układzie różnicowym, umieszczone centralnie plus po jednym kole wielokierunkowym w każdym narożniku podwozia – rysunek 31.

Rysunek 31: Dwa koła napędzane w układzie różnicowym plus po jednym kole wielokierunkowym w każdym narożniku podwozia

• wszystkie koła napędzane w układzie różnicowym – rysunek 32.

Rysunek 32: Wszystkie koła napędzane w układzie różnicowym

OPISY NAPĘDÓW:
►    Napęd rożnicowy – dwa niezależnie napędzane koła jednej osi, dla zachowania równowagi dodane jest trzecie koło bierne (lub dwa bierne koła);
►    Napęd synchroniczny – trzy napędzane koła w układzie trójkątnym, wszystkie skierowane w jednym kierunku z możliwością zmiany kierunku ruchu bez zmiany orientacji bazy
►    Napęd dookolny (wielokierunkowy) – podobny do napędu synchronicznego, ale każde koło jest złożonym mechanizmem i może toczyć się w dowolnym kierunku;
►    Napęd trojkołowy – przednie koło napędowe i kierujące, dwa koła tylnej osi są nie napędzane (są kołami biernymi).

II.    RODZAJE ZAWIESZEŃ DLA OSI KÓŁ PODWOZIA ZROBOTYZOWANEGO

Zawieszenie podwozia, czyli zespół elementów łączących koła z pozostałymi elementami pojazdu mobilnego jest kolejnym istotnym parametrem, który należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu podwozia zrobotyzowanego. Zawieszenie podwozia przenosi na nadwozie pojazdu mobilnego siły powstające na styku koła podwozia z pokonywanym terenem oraz zapewnia jego stateczność i sterowność. 
Na początku niniejszej publikacji autor zaznaczył, że w przypadku podwozi zrobotyzowanych predysponowanych do wykorzystania w pojazdach mobilnych wiele elementów jest wspólnych z zagadnieniami znanymi w szeroko pojętej motoryzacji. 
Biorąc zatem powyższe pod uwagę powiemy, że w skład zawieszenia podwozia mobilnego powinny wchodzić następujące elementy konstrukcyjne i funkcjonalne:

• wahacz, drążek poprzeczny lub wzdłużny; 
• elementy resorujące; 
• elementy tłumiące.

Ze względu na budowę zawieszenie podwozia mobilnego dzielimy na:

• zawieszenie zależne, w którym ruch pionowy jednego koła danej osi wpływa na drugie koło (np. sztywny most zawieszony na resorach piórowych);
• zawieszenie niezależne, w którym ruch jednego koła danej osi nie wpływa na drugie koło (np. wahacz wleczony);
• zawieszenie półzależne, w którym ruch jednego koła danej osi w niewielkim stopniu wpływa na drugie koło (np. zawieszenia z tzw. belką skrętną).

Czytelnik już wie, że pojazd mobilny może być bezzałogowy lub załogowy. W przypadku pojazdu załogowego konstruktor podwozia zrobotyzowanego może jeszcze wziąć pod uwagę komfort dla załogi pojazdu mobilnego, jednak jak wykazuje praktyka nie jest to priorytetem. Jest tak, bowiem z reguły dla pojazdów mobilnych, poruszających się w trudnym terenie przewiduje się zadania innego rodzaju niż zapewnienie komfortu załodze pojazdu. Trudno sobie bowiem wyobrazić, aby nadrzędnym zadaniem dla pojazdu mobilnego, przeznaczonego do realizacji zadań np. na poligonie wojskowym, nie była „umiejętność” rozbrajania min piechotnych (zazwyczaj ćwiczebnych) czy transport materiałów niebezpiecznych po terenie poligonu, tylko zapewnienie komfortu załodze podczas jazdy po wertepach, czym „najeżony” jest zazwyczaj teren wojskowy. 
Z drugiej strony, przy rozpatrywaniu pojazdu mobilnego bezzałogowego, którego zdolności terenowe nie są określone fachowością kierowcy pojazdu, (gdyż go w tym pojeździe nie ma), tylko najczęściej samymi możliwościami podwozia zrobotyzowanego lub kwalifikacjami operatora pojazdu sterowanego na odległość, przez co na pokładzie takiego podwozia powinny znajdować się dodatkowe elementy elektroniczne zastępujące wtedy kierowcę, zdobycie na to przestrzeni na pokładzie tego pojazdu bezzałogowego narzuca niejednokrotnie duże upraszczanie konstrukcji takiego podwozia o elementy, które wystąpiłyby w pojeździe załogowym, a są niepotrzebne w pojeździe bezzałogowym. Przykładem może być podwozie pojazdu bezzałogowego, które może nie posiadać resorowania. 
Poniżej na kilku przykładach przybliżono Czytelnikowi najważniejsze elementy podwozia, które są brane pod uwagę przy konstruowaniu podwozi zrobotyzowanych załogowych i bezzałogowych. Dobór tych elementów podwozia zależy zawsze od przeznaczenia pojazdu mobilnego, dla którego to podwozie jest projektowane.

1.    Elementy resorujące w zawieszeniu osi kół podwozia.

• resor piórowy w zawieszeniu zależnym kół osi napędowej – rysunek 33. [Źródło: Wikipedia]

Rysunek 33: Resor piórowy jako element prowadzący oraz resorujący

• sprężyna śrubowa w zawieszeniu zależnym kół osi przedniej napędowej – rysunek 34. [Źródło: http://uazdealer.cba.pl/hunter.html]

Rysunek 34: Sprężyna śrubowa w zawieszeniu zależnym koła osi przedniej

• amortyzator w tłumieniu drgań osi kół – rysunek 35.

Rysunek 35: Amortyzator w tłumieniu drgań osi podwozia

III.    SILNIKI NAPĘDZAJĄCE KOŁA PODWOZIA MOBILNEGO

Rodzaj silnika (silników) napędzającego koło lub koła podwozia mobilnego jest kolejnym istotnym parametrem, który należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu podwozia zrobotyzowanego. Występująca praktyka pokazuje, że dla pojazdów mobilnych o dużych gabarytach i przy tym załogowych przewiduje się silniki spalinowe, najczęściej diesla, zaś dla pojazdów mobilnych o małych gabarytach i bezzałogowych przewiduje się silniki elektryczne. To ostatnie nie wymaga chyba szczególnego wyjaśnienia. W pojazdach bezzałogowych bowiem urządzenia mechatroniczne są w większości sterowane sygnałem elektrycznym lub za pośrednictwem sygnału elektrycznego, więc silnik elektryczny jest niejako naturalną konsekwencją jego wykorzystania w takim pojeździe. Poza tym rodzaj sterowania pojazdem mobilnym bezzałogowym, czy to zdalnie (ang. remote) czy na skutek funkcjonowania autonomicznego układu sterowania wymaga czynności, których nie wykonuje kierowca, tylko układ sterowania, np. stopniowy dojazd do przeszkody, co wymaga regulacji prędkości obrotowej silników napędu. Lepszy sposób niż wykorzystanie silnika elektrycznego w takim sterowaniu nie istnieje. 
Kolejnym istotnym czynnikiem, przemawiającym za chęcią wykorzystywania konkretnego silnika w sterowaniu pojazdem mobilnym jest rodzaj zawieszenia kół podwozia. Przy podwoziu z tzw. mostami napędowymi, czyli dużym napędem różnicowym silnik spalinowy będzie idealnym rozwiązaniem, zaś w przypadku niezależnego sterowania poszczególnymi kołami podwozia idealnym rozwiązaniem będzie wykorzystanie silnika elektrycznego lub hydraulicznego a nawet pneumatycznego.    
Poniżej na kilku przykładach wskazano na dwa rodzaje silników, które mogą być stosowane przy napędzie kół podwozia mobilnego. (Układy sterowania tychże omówiono w module 2-gim niniejszej publikacji). Przyjęto, że omawianie silników spalinowych nie jest niezbędne, ponieważ Czytelnik zapewne rozumie sposób napędu pojazdu mobilnego o dużych gabarytach za pośrednictwem silnika spalinowego np. silnika diesla. 

1.    Silniki elektryczne w napędzie kół podwozia mobilnego. 

• silnik prądu stałego z przekładnią zębatą Arduino, napędzający pojedyncze koło podwozia – rysunek 36. 

Rysunek 36: Silnik elektryczny w napędzie koła

• Silnik krokowy możliwy do napędu pojedynczego koła podwozia – rysunek 37.

Rysunek 37: Silnik krokowy Jkongmotor

2.    Silniki płynowe w napędzie kół podwozia mobilnego.

• silnik hydrauliczny w napędzie koła podwozia mobilnego o dużych gabarytach – rysunek 38. 

Rysunek 38: Silnik hydrauliczny napędzający koło podwozia zespolony z wahaczem

3.    Silniki na sprężone medium w napędzie kół podwozia mobilnego.

• silnik pneumatyczny z przekładnią Desoutter do wykorzystania w napędzie koła podwozia – rysunek 39.

Rysunek 39: Silnik pneumatyczny z przekładnią Desoutter

IV.    RODZAJE KÓŁ DLA PODWOZIA MOBILNEGO

Pokonywanie określonego terenu przez pojazd mobilny wymaga wykorzystania w podwoziu zrobotyzowanym tego pojazdu odpowiednich kół napędowych lub nienapędzanych, skrętnych dla zmiany kierunku ruchu lub pozbawionych tej cechy. (W niniejszej pracy autor skupiła się na podwoziach kołowych). 
Należy nadmienić, co już wcześniej sugerowano, że odpowiednie znane zależności matematyczne pozwalają na obliczenie średnicy kół podwozia, a inne na obliczenie ich szerokości. Autor wskazał, że montowane w podwoziu systemy typu CPK, takie jak CTIS, mogą „zakłócić” raczej na korzyść podwozia zastosowane wyliczenia. Rodzaj terenu, po którym ma poruszać się projektowane podwozie zrobotyzowane również ma znaczenie. Inne koła podwozia będą odpowiednie dla powierzchni płaskiej, np. ulica czy hala produkcyjna, a inne powinny być zastosowane w pojeździe mobilnym, który poruszać się będzie po poligonie czy innym trudnym terenie. Poniżej autor wyszczególnił rodzaje kompletnych kół, które mogą mieć zastosowanie w podwoziach mobilnych.
1.    Koła posiadające wypełnioną gumą oponę (bezpowietrzne).

•  koło z widocznym ułożyskowaniem stanowiące nienapędzane koło podwozia trzykołowego – rysunek 40. 

Rysunek 40: Koło nienapędzane podwozia

• Koło mogące stanowić oś napędową lub nienapędzaną podwozia mobilnego – rysunek 41. 

Rysunek 41: Koło plastikowe podwozia mobilnego

2.    Koła posiadające oponę pneumatyczną.

• koło do montażu do piasty osi kierowanej lub niekierowanej (napędowej) kół – rysunek 42.

Rysunek 42: Koło pneumatyczne podwozia

• koło pneumatyczne dla systemu CPK podwozia pojazdu wojskowego IVECO ASTRA – rysunek 43; (Uwidoczniony został dodatkowy przewód pneumatyczny, łączący wentyl koła z elementami systemu CPK). 

Rysunek 43: Koło pneumatyczne podwozia mobilnego IVECO ASTRA

• koło pneumatyczne dla systemu CTIS podwozia pojazdu wojskowego HUMMMER H1 – rysunek 44. (Uwidoczniono osłonę na przewód pneumatyczny łączący nawierconą półoś z zaworem koła).

Rysunek 44: Koło dla systemu CTIS pojazdu HUMMER H1

Zamiar wykorzystania w podwoziu mobilnym cechy systemów typu CPK, czyli celowego upuszczania powietrza z opony wtedy, kiedy to niezbędne, narzuca konieczność zastosowania tamże odpowiednich opon. Analiza rysunków 43 i 44 może wskazywać na tę cechę, tj. nie tyle odpowiednią średnicę zewnętrzną opony, wyliczoną na podstawie podanych wcześniej zależności, ale przede wszystkim na oponę, w której występuje odpowiednia jej wysokość w stosunku do średnicy wewnętrznej. (Na rysunkach tych widać, że wysokość opony jest niewiele mniejsza od jej średnicy wewnętrznej). Taki stosunek widoczny na rysunkach ma zapewnić, aby przy odpowiednim spuszczeniu powietrza z opony powierzchnia jej przylegania do podłoża była odpowiednio duża. (Patrz rysunek 13). Dla podwozi mobilnych o dużych gabarytach, takich jak widoczne na rysunkach 43 i 44 typowym rozmiarem opony jest rozmiar 14.00 R20.
Należy zaznaczyć, że nie każda opona spełniająca warunek widoczny na rysunku 43 i 44 może sprawdzić się zgodnie z rysunkiem 13. Uzależnione jest to od konstrukcji wewnętrznej opony, która umożliwi poruszanie się po terenie podwozia mobilnego przy znacznie zmniejszonym ciśnieniu w oponie koła.

V.    KĄTY NATARCIA I ZEJŚCIA PODWOZIA

Należy zaznaczyć, że nawet prawidłowy dobór kół (opon) do podwozia mobilnego, uwzględniający wcześniej wymienione zasady ich doboru zarówno pod kątem właściwej średnicy koła czy właściwości samej opony, nie sprawdzą się przy ruchu pojazdu mobilnego w trudnym terenie, jeżeli konstruktorzy podwozia mobilnego nie zapewnili takiego usytuowania przedniej oraz/lub tylnej osi kół w stosunku do końców ramy (pokładu) podwozia mobilnego, czyli nie zastosowali właściwych kątów odpowiednio natarcia i zejścia. Ilustruje to rysunek 45.

Rysunek 45: Najazd podwozia mobilnego o małym oraz odpowiednim kącie natarcia na przeszkodę terenową

Widoczna na rysunku 45 próba najazdu kół przedniej osi podwozia na przeszkodę terenową przednią (szkic narysowany linią ciągłą; prędkość V=0) kończy się niepowodzeniem, ponieważ zanim koła tej osi najadą na przeszkodę nastąpi ugrzęźnięcie ramy podwozia w tej przeszkodzie. Wielokrotne próby najazdu kół na tę przeszkodę przy odpowiednio wytrzymałej konstrukcji ramy mogą zsunąć górną jej warstwę i spowodować wjazd kół na przeszkodę, jednak istota problemu nie zniknie, czyli niewłaściwe usytuowanie przedniej osi kół od krawędzi ramy podwozia. Podwozie na rysunku 45 naszkicowane linią przerywaną „pokonało” przeszkodę terenową tylną, ponieważ kąt natarcia był właściwy. Dla odróżnienia kierunku jazdy wprowadza się pojęcie kąta natarcia i zejścia, które są kątami między poziomem terenu a linią styczną z kołem i krawędzią ramy, odpowiednio przednią i tylną. Ten pierwszy nie powinien być większy niż 450, zaś ten drugi nie większy niż 340