裝甲輸送車電控氣動轉向制動操縱技術研究

李國強， 王興野， 韓玉方

(1. 裝甲兵工程學院裝備試用與培訓大隊， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學院教練團， 北京 100072)

某型履帶式裝甲輸送車轉向、制動操縱裝置為機械操縱系統，為實現車輛的自主行駛，必須對其操縱裝置進行改造，實現電控操縱。

1 裝甲輸送車轉向、制動操縱裝置工作原理

1.1 轉向、制動操縱裝置結構及組成

某履帶式裝甲輸送車推進系統如圖1所示。動力傳遞：發動機→主離合器→變速箱，在變速箱內部，動力輸出分成2路，分別傳給左、右轉向機，經側減速器傳給左、右主動輪輸出。該型裝甲車轉向、制動裝置由轉向離合器C1、C2和制動器Z1、Z2組成， 轉向、制動操縱裝置構造如圖2所示。轉向離合器和制動器的操縱裝置包括手操縱裝置和腳操縱裝置2部分，其中轉向操作由手操縱裝置完成，制動操作以腳操縱裝置為主。手操縱裝置由操縱桿及橫軸、縱拉桿、拉桿臂、中間軸、轉向傾斜拉桿、轉向橫軸、操縱鉤、三臂杠桿、分離推桿和手操縱制動推桿等組成。腳操縱裝置由腳制動器踏板及軸、傾斜推桿、傾斜推桿臂、腳制動器制動橫軸、腳制動器制動推桿等組成。

圖1 某履帶式裝甲輸送車推進系統

圖2 某履帶裝甲輸送車轉向、制動操縱裝置結構

1.2 轉向、制動操縱裝置工作過程

車輛直線行駛時，左、右操縱桿在最前位置，兩側轉向離合器接合，制動器松開，動力由變速箱經轉向離合器傳給側減速器輸出。

當車輛轉向時，拉一側操縱桿向后，操縱力經3組四桿機構控制該側轉向離合器、制動器，使轉向離合器分離、制動器制動，主動輪輸出轉矩減小，履帶速度降低；另一側轉向機工作和直線行駛狀態相同，履帶速度不變，由于兩側履帶速度不同，車輛向低速側轉向。根據轉向離合器、制動器的工作狀態不同，車輛的轉向分為4種狀態：部分分離轉向、分離轉向、部分制動轉向、制動轉向。不同轉向狀態的轉向離合器、制動器的工作狀態見表1。

表1 不同轉向狀態的轉向離合器、制動器工作狀態

當車輛需要制動時，踏下制動器踏板，制動力通過傾斜拉桿、腳制動器橫軸、腳制動器推桿使兩側制動帶抱緊制動鼓，制動力大小可根據駕駛員踏制動踏板力的大小進行調節。

2 氣動轉向、制動操縱裝置設計

2.1 裝甲車輛轉向分析

該型裝甲車有4種轉向狀態，每種轉向使用的頻度不同。

1) 部分分離轉向和分離轉向。此時的轉向半徑與擋位、發動機角加速度、地面阻力大小有關。發動機角加速度越大，轉向半徑越小；地面阻力越大，轉向半徑越小。轉向離合器在部分分離轉向時產生滑磨功，滑磨功大小為

式中：Mc為轉向離合器傳遞的轉矩；ω1為主動部分角速度；ω2為被動部分角速度。部分分離轉向在松軟路面、泥濘地或陡上坡等阻力大的路面上使用效果較好；而在良好路面上行駛時，由于部分分離轉向半徑過大(一般轉向半徑在120 m以上)，轉向效果不明顯，加之滑磨功的存在，所以在良好路面上基本不能使用部分分離轉向。在氣動操縱裝置設計中，為簡化結構，僅控制轉向離合器結合和分離，不對其進行伺服控制。分離轉向分為正轉向和反轉向，轉向半徑一般在80～120 m，為使正轉向效果更加明顯，一般采用“減—拉—加”方式操作。“減”，減小油門，降低發動機轉速，以獲得發動機加速空間；“拉”，迅速拉一側操縱桿使轉向離合器分離；“加”，迅速加油，使高速側履帶加速，實現分離轉向。當正轉向修正方向未到位時，馬上使用反轉向，即松開該側操縱桿，迅速拉另一側操縱桿使離合器分離并迅速減油，利用發動機制動使履帶制動，這時車輛進行反轉向，和正轉向轉動方向一致，使轉向持續時間增加，增大轉向角度。

2) 部分制動轉向。理論上該轉向半徑比分離轉向半徑小，但在轉向過程存在制動功率，其大小為

NzT=MTωT,

式中：MT為制動轉矩；ωT制動鼓角速度。車輛行駛速度越高，制動功率越大，制動功率轉化為熱能，由制動帶吸收，溫度升高，出現熱衰退效應，導致摩擦因數減小，轉向效果下降，因此這種轉向不能持續使用。

3) 制動轉向。當制動帶完全抱死時，制動鼓角速度為0，此時制動功率為0，車輛進行制動轉向，理論上轉向半徑為1/2B(B為履帶中心距)，制動轉向只能在一擋、二擋和倒擋使用，其他排擋不能進行制動轉向。

2.2 氣動操縱裝置的基本要求

氣動轉向、制動操縱裝置設計的原則是：在保持原車推進系統結構不變的前提下，根據原車輛轉向制動裝置的結構及工作原理，設計氣動操縱裝置，分別控制閉鎖離合器、制動器，完成轉向制動操作的控制。其設計要求如下。

1) 工作穩定可靠，滿足車輛轉向、制動的需求。一方面，氣動操縱裝置的響應速度和控制精度要滿足駕駛員轉向、制動的操縱要求；另一方面，要能夠進行伺服控制，滿足轉向和制動時對制動力的調節要求。

2) 要能夠適應履帶車輛上的劇烈振動和沖擊，并能夠適應履帶車輛惡劣的工作環境。

3) 要結構簡單，使用維修方便，占用空間小，便于安裝布置。

2.3 氣動操縱裝置的設計與分析

氣動操縱裝置的設計要經過論證、選擇元件及多次反復，最終完成。

2.3.1 轉向離合器氣缸直徑的確定[1]

氣缸推力應滿足

(1)

式中：Fc為轉向離合器氣缸推力；Dc為轉向離合器氣缸直徑；p為系統壓力；Fcmax為轉向離合器分離所需最大推力。

轉向離合器所需最大推力和行程可通過試驗或查原單設計說明書得到，通過式(1)可得轉向離合器氣缸的計算直徑。因氣缸已系列化生產，則應根據計算結果在系列中選擇氣缸直徑。

2.3.2 制動帶氣缸直徑的確定

裝甲車輛制動采用浮式制動帶，具有雙向助力作用，制動帶氣缸計算直徑為

(2)

式中：Fz為制動帶氣缸推力；Dz為制動帶氣缸直徑；μ為制動帶與制動鼓摩擦因數；α為制動帶包角；M為轉向離合器傳遞的轉矩；D為制動鼓外徑。

根據式(2)得出的制動帶氣缸計算直徑，結合氣缸系列選擇氣缸直徑。

2.3.3 制動力的調節

裝甲車輛轉向、制動時，制動力根據需要能夠連續調節，為達到調節制動力的目的，在氣動系統中使用比例閥，由比例閥對輸入制動帶氣缸的壓力進行調節。比例閥選用帶比例線圈的比例減壓閥，采用4～20 mA的模擬信號輸入，其輸入與輸出的關系曲線如圖3所示。當電流達到的18 mA時，輸出壓力達到試驗設定的最大值，此后電流繼續增大，輸出壓力保持該定值不變。比例閥工作時氣壓調節有固定的調節范圍，所選比例閥的輸出氣壓調節與輸出流量關系如圖4所示。氣動操縱系統設計過程中，應保證當執行機構工作時，其最大流量能夠使比例閥輸出流量處于水平的直線段，否則系統工作將出現不穩定情況[1]。

圖3 比例閥輸入與輸出關系

圖4 比例閥輸出壓力與輸出流量關系

2.3.4 轉向、制動的控制

氣動轉向、制動裝置的氣路原理如圖5所示，工作簡圖如圖6所示。氣動操縱裝置由轉向手柄、制動踏板、制動帶氣缸、阻尼閥、轉向離合器氣缸、控制閥組(包括換向閥、比例閥、截止閥)、控制電路、空壓機、過濾器、干燥器、儲氣筒和安全閥等組成。

圖5 氣動轉向、制動裝置原理

圖6 氣動操縱裝置工作簡圖

氣動轉向、制動操縱裝置設計為2種模式：人工操縱和自動操縱。氣動操縱中轉向和制動都需要通過電位計控制比例閥，為滿足人工操縱需要，需設計轉向手柄和腳制動踏板，因操縱電位計力量非常小，在設計轉向手柄和腳制動踏板時，應兼顧能量消耗、操縱精度、操縱速度及獲取操縱量的反饋信息，按照最佳操縱力和行程進行設計。

3 氣動轉向、制動操縱裝置工作

發動機工作時，由皮帶輪帶動空壓機工作，高壓空氣泵出，經過濾、干燥后送入儲氣筒作為氣源使用。當車輛直線行駛時，換向閥S1、S2斷電，截止閥S3、S4、S5、S6斷電，比例閥沒有控制電流，此時左、右轉向離合器氣缸活塞桿縮回，轉向離合器接合，左、右制動帶氣缸沒有控制氣壓，活塞在彈簧的作用下縮回，制動帶松開。

3.1 轉向工作過程

當車輛需要轉向(以人工操縱向左轉向為例)時，轉向手柄扳至左側，換向閥S1接通換向，左轉向離合器氣缸活塞桿伸出，離合器完全分離，車輛向左分離轉向。在轉向手柄扳到左側的同時，截止閥S4電路接通，右側制動氣缸氣路斷開，為下一步控制左側制動帶做好準備；轉向手柄在左側向后拉，轉向手柄控制電位計，使比例閥控制電流增大，輸出壓力變大，該壓力作用在左制動帶氣缸，此時車輛進行部分制動轉向，制動帶氣缸壓力、轉向角速度、左右車輪轉速曲線如圖7所示。轉向手柄后拉行程越大，比例閥控制電流越大，制動力越大，轉向半徑越小，實現了通過轉向手柄對轉向半徑進行控制；當轉向手柄拉到最后，比例閥控制電流達到最大，輸出氣壓達到最大，制動帶將制動鼓完全抱死，車輛進行制動轉向，制動轉向時制動壓力、轉向角速度、左右車輪速度曲線如圖8所示。當完全松回轉向手柄時，比例閥氣壓調節到0，左制動帶氣缸活塞在彈簧作用下回到原位；閥S1、S4斷電，S1換向后左離合器氣缸回位，轉向離合器接合，車輛由轉向恢復至直線行駛狀態。為控制制動氣缸的回位速度，應在制動氣缸的排氣回路上加裝一個阻尼閥。

圖7 部分右制動轉向試驗數據

圖8 右制動轉向試驗數據

3.2 制動工作過程

當車輛需要制動時，踏下制動踏板，制動踏板控制電位計，調節比例閥控制電流，使比例閥輸出壓力改變，因截止閥S3、S4斷電，氣路接通，該壓力同時作用于左、右制動帶氣缸，使制動帶箍緊制動鼓，車輛制動，踏板行程越大，制動力越大。當松開制動踏板時，左、右制動氣缸的壓縮氣體從比例閥排到大氣中，在回位彈簧的作用下，制動氣缸活塞回位，制動解除。

轉向、制動過程均控制的是制動帶氣缸，為簡化結構，轉向和制動操縱的伺服控制共用一個比例閥，由轉向手柄和制動踏板共同控制，為保證行車安全，設計時應使制動踏板優先控制比例閥。車輛轉向、制動操縱動作邏輯順序如表2所示。

表2 轉向、制動操縱動作邏輯

注：“×”、“√”分別表示該閥的斷電與通電。

4 操縱件測量參數對比

按照上述原理改造了某型履帶式裝甲輸送車，并進行了實車試驗，原型車與改造車的操縱件相關測試數據見表3、4。按照人機工程學的設計要求[2]，最優手操縱力為5～20 N，最優腳操縱力為45～90 N，操縱桿最優行程(短桿)為150～250 mm，從表3、4可知氣動操縱件的操作力基本達到了最適宜程度。

表3 操縱桿對比

表4 制動踏板對比

5 結論

氣動轉向、制動操縱特點如下。

1) 簡化了操縱裝置的結構，減小了整車質量，節省了有效空間，因操縱件與執行機構之間沒有機械聯系，在連接方式上具有很大的柔性，轉向操縱件既可設計成操縱手柄，也可設計成方向舵。改為氣動操縱后，可以省去操縱桿及橫軸、縱拉桿、拉桿臂、中間軸、轉向傾斜拉桿、轉向橫軸、操縱鉤、三臂杠桿和分離推桿等。裝甲車輛駕駛艙本來空間狹小，操縱件多，作業空間有限，省去左、右操縱桿后,可以將駕駛室設計得更為合理，駕駛姿勢更為舒適，這對軍用車輛設計具有重要意義。

2) 操縱省力，操縱行程小，簡化了操縱動作，大大減小了駕駛員的勞動強度。原履帶式裝甲輸送車轉向操縱使用2個操縱桿，需要雙手聯合操縱，改造后將左、右操縱桿合二為一，由一個轉向手柄取代，使用正轉向和反轉向時不需要反復交替拉左、右操縱桿，左、右扳動手柄即可實現車輛正轉向和反轉向的轉換，使操作動作大大簡化，轉向操縱靈活簡單，操縱準確性更好，分離轉向位置控制更為準確。

3)可以完全按照人機工程學最適宜的操作力和操作行程來設計操縱件，使駕駛艙的作業空間更為合理[3]，駕駛姿勢更為舒適。由于操縱手柄與受控部件之間沒有機械聯系，可以將轉向手柄與駕駛座椅固定在一起，當駕駛椅升降時，轉向手柄一起升降，可消除駕駛椅升降對操縱的影響。

履帶車輛傳動功率大，工作環境惡劣，轉向制動操縱改為氣動操縱后，操縱動作迅速，執行機構響應速度快，動作準確可控，實現了轉向控制操縱的自動化。經過實車試驗證明，氣動操縱大大簡化了駕駛員的操縱動作，減小了駕駛員的勞動強度，將雙手聯合操縱簡化為一手操縱，駕駛員通過轉向手柄、制動踏板發出指令，執行機構能夠及時執行指令，控制車輛轉向、制動，氣動操縱裝置既可滿足人工駕駛操縱的轉向、制動要求，也可滿足自主行駛時的轉向、制動控制需求。此設計思路與方法可廣泛用于履帶式森林消防車的操縱改造上，也可用于該型車的再利用改造。

參考文獻：

[1] 曹玉平，閻祥安.氣壓傳動與控制[M].北京：天津大學出版社，2010：48-54．

[2] 周一鳴，毛恩榮.車輛人機工程學[M].北京：北京理工大學出版社，1999：160-167．

[3] 牛海燕，田亮，白雅娟.裝甲車輛駕駛艙工效學試驗系統方案研究[J]．車輛與動力技術，2011(3)：5-9．