李國(guó)強(qiáng)， 王興野， 韓玉方

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

某型履帶式裝甲輸送車轉(zhuǎn)向、制動(dòng)操縱裝置為機(jī)械操縱系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)車輛的自主行駛，必須對(duì)其操縱裝置進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)電控操縱。

1 裝甲輸送車轉(zhuǎn)向、制動(dòng)操縱裝置工作原理

1.1 轉(zhuǎn)向、制動(dòng)操縱裝置結(jié)構(gòu)及組成

某履帶式裝甲輸送車推進(jìn)系統(tǒng)如圖1所示。動(dòng)力傳遞：發(fā)動(dòng)機(jī)→主離合器→變速箱，在變速箱內(nèi)部，動(dòng)力輸出分成2路，分別傳給左、右轉(zhuǎn)向機(jī)，經(jīng)側(cè)減速器傳給左、右主動(dòng)輪輸出。該型裝甲車轉(zhuǎn)向、制動(dòng)裝置由轉(zhuǎn)向離合器C1、C2和制動(dòng)器Z1、Z2組成， 轉(zhuǎn)向、制動(dòng)操縱裝置構(gòu)造如圖2所示。轉(zhuǎn)向離合器和制動(dòng)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(zhuǎn)向操作由手操縱裝置完成，制動(dòng)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(zhuǎn)向傾斜拉桿、轉(zhuǎn)向橫軸、操縱鉤、三臂杠桿、分離推桿和手操縱制動(dòng)推桿等組成。腳操縱裝置由腳制動(dòng)器踏板及軸、傾斜推桿、傾斜推桿臂、腳制動(dòng)器制動(dòng)橫軸、腳制動(dòng)器制動(dòng)推桿等組成。

圖1 某履帶式裝甲輸送車推進(jìn)系統(tǒng)

圖2 某履帶裝甲輸送車轉(zhuǎn)向、制動(dòng)操縱裝置結(jié)構(gòu)

1.2 轉(zhuǎn)向、制動(dòng)操縱裝置工作過程

車輛直線行駛時(shí)，左、右操縱桿在最前位置，兩側(cè)轉(zhuǎn)向離合器接合，制動(dòng)器松開，動(dòng)力由變速箱經(jīng)轉(zhuǎn)向離合器傳給側(cè)減速器輸出。

當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，拉一側(cè)操縱桿向后，操縱力經(jīng)3組四桿機(jī)構(gòu)控制該側(cè)轉(zhuǎn)向離合器、制動(dòng)器，使轉(zhuǎn)向離合器分離、制動(dòng)器制動(dòng)，主動(dòng)輪輸出轉(zhuǎn)矩減小，履帶速度降低；另一側(cè)轉(zhuǎn)向機(jī)工作和直線行駛狀態(tài)相同，履帶速度不變，由于兩側(cè)履帶速度不同，車輛向低速側(cè)轉(zhuǎn)向。根據(jù)轉(zhuǎn)向離合器、制動(dòng)器的工作狀態(tài)不同，車輛的轉(zhuǎn)向分為4種狀態(tài)：部分分離轉(zhuǎn)向、分離轉(zhuǎn)向、部分制動(dòng)轉(zhuǎn)向、制動(dòng)轉(zhuǎn)向。不同轉(zhuǎn)向狀態(tài)的轉(zhuǎn)向離合器、制動(dòng)器的工作狀態(tài)見表1。

表1 不同轉(zhuǎn)向狀態(tài)的轉(zhuǎn)向離合器、制動(dòng)器工作狀態(tài)

當(dāng)車輛需要制動(dòng)時(shí)，踏下制動(dòng)器踏板，制動(dòng)力通過傾斜拉桿、腳制動(dòng)器橫軸、腳制動(dòng)器推桿使兩側(cè)制動(dòng)帶抱緊制動(dòng)鼓，制動(dòng)力大小可根據(jù)駕駛員踏制動(dòng)踏板力的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 氣動(dòng)轉(zhuǎn)向、制動(dòng)操縱裝置設(shè)計(jì)

2.1 裝甲車輛轉(zhuǎn)向分析

該型裝甲車有4種轉(zhuǎn)向狀態(tài)，每種轉(zhuǎn)向使用的頻度不同。

1) 部分分離轉(zhuǎn)向和分離轉(zhuǎn)向。此時(shí)的轉(zhuǎn)向半徑與擋位、發(fā)動(dòng)機(jī)角加速度、地面阻力大小有關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)角加速度越大，轉(zhuǎn)向半徑越??；地面阻力越大，轉(zhuǎn)向半徑越小。轉(zhuǎn)向離合器在部分分離轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生滑磨功，滑磨功大小為

式中：Mc為轉(zhuǎn)向離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩；ω1為主動(dòng)部分角速度；ω2為被動(dòng)部分角速度。部分分離轉(zhuǎn)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(shí)，由于部分分離轉(zhuǎn)向半徑過大(一般轉(zhuǎn)向半徑在120 m以上)，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向。在氣動(dòng)操縱裝置設(shè)計(jì)中，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，僅控制轉(zhuǎn)向離合器結(jié)合和分離，不對(duì)其進(jìn)行伺服控制。分離轉(zhuǎn)向分為正轉(zhuǎn)向和反轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向半徑一般在80～120 m，為使正轉(zhuǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)加速空間；“拉”，迅速拉一側(cè)操縱桿使轉(zhuǎn)向離合器分離；“加”，迅速加油，使高速側(cè)履帶加速，實(shí)現(xiàn)分離轉(zhuǎn)向。當(dāng)正轉(zhuǎn)向修正方向未到位時(shí)，馬上使用反轉(zhuǎn)向，即松開該側(cè)操縱桿，迅速拉另一側(cè)操縱桿使離合器分離并迅速減油，利用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)使履帶制動(dòng)，這時(shí)車輛進(jìn)行反轉(zhuǎn)向，和正轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，使轉(zhuǎn)向持續(xù)時(shí)間增加，增大轉(zhuǎn)向角度。

2) 部分制動(dòng)轉(zhuǎn)向。理論上該轉(zhuǎn)向半徑比分離轉(zhuǎn)向半徑小，但在轉(zhuǎn)向過程存在制動(dòng)功率，其大小為

NzT=MTωT,

式中：MT為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；ωT制動(dòng)鼓角速度。車輛行駛速度越高，制動(dòng)功率越大，制動(dòng)功率轉(zhuǎn)化為熱能，由制動(dòng)帶吸收，溫度升高，出現(xiàn)熱衰退效應(yīng)，導(dǎo)致摩擦因數(shù)減小，轉(zhuǎn)向效果下降，因此這種轉(zhuǎn)向不能持續(xù)使用。

3) 制動(dòng)轉(zhuǎn)向。當(dāng)制動(dòng)帶完全抱死時(shí)，制動(dòng)鼓角速度為0，此時(shí)制動(dòng)功率為0，車輛進(jìn)行制動(dòng)轉(zhuǎn)向，理論上轉(zhuǎn)向半徑為1/2B(B為履帶中心距)，制動(dòng)轉(zhuǎn)向只能在一擋、二擋和倒擋使用，其他排擋不能進(jìn)行制動(dòng)轉(zhuǎn)向。

2.2 氣動(dòng)操縱裝置的基本要求

氣動(dòng)轉(zhuǎn)向、制動(dòng)操縱裝置設(shè)計(jì)的原則是：在保持原車推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不變的前提下，根據(jù)原車輛轉(zhuǎn)向制動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理，設(shè)計(jì)氣動(dòng)操縱裝置，分別控制閉鎖離合器、制動(dòng)器，完成轉(zhuǎn)向制動(dòng)操作的控制。其設(shè)計(jì)要求如下。

1) 工作穩(wěn)定可靠，滿足車輛轉(zhuǎn)向、制動(dòng)的需求。一方面，氣動(dòng)操縱裝置的響應(yīng)速度和控制精度要滿足駕駛員轉(zhuǎn)向、制動(dòng)的操縱要求；另一方面，要能夠進(jìn)行伺服控制，滿足轉(zhuǎn)向和制動(dòng)時(shí)對(duì)制動(dòng)力的調(diào)節(jié)要求。

2) 要能夠適應(yīng)履帶車輛上的劇烈振動(dòng)和沖擊，并能夠適應(yīng)履帶車輛惡劣的工作環(huán)境。

3) 要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維修方便，占用空間小，便于安裝布置。

2.3 氣動(dòng)操縱裝置的設(shè)計(jì)與分析

氣動(dòng)操縱裝置的設(shè)計(jì)要經(jīng)過論證、選擇元件及多次反復(fù)，最終完成。

2.3.1 轉(zhuǎn)向離合器氣缸直徑的確定[1]

氣缸推力應(yīng)滿足

(1)

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

轉(zhuǎn)向離合器所需最大推力和行程可通過試驗(yàn)或查原單設(shè)計(jì)說明書得到，通過式(1)可得轉(zhuǎn)向離合器氣缸的計(jì)算直徑。因氣缸已系列化生產(chǎn)，則應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果在系列中選擇氣缸直徑。

2.3.2 制動(dòng)帶氣缸直徑的確定

裝甲車輛制動(dòng)采用浮式制動(dòng)帶，具有雙向助力作用，制動(dòng)帶氣缸計(jì)算直徑為

(2)

式中：Fz為制動(dòng)帶氣缸推力；Dz為制動(dòng)帶氣缸直徑；μ為制動(dòng)帶與制動(dòng)鼓摩擦因數(shù)；α為制動(dòng)帶包角；M為轉(zhuǎn)向離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩；D為制動(dòng)鼓外徑。

根據(jù)式(2)得出的制動(dòng)帶氣缸計(jì)算直徑，結(jié)合氣缸系列選擇氣缸直徑。

2.3.3 制動(dòng)力的調(diào)節(jié)

裝甲車輛轉(zhuǎn)向、制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力根據(jù)需要能夠連續(xù)調(diào)節(jié)，為達(dá)到調(diào)節(jié)制動(dòng)力的目的，在氣動(dòng)系統(tǒng)中使用比例閥，由比例閥對(duì)輸入制動(dòng)帶氣缸的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。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(hào)輸入，其輸入與輸出的關(guān)系曲線如圖3所示。當(dāng)電流達(dá)到的18 mA時(shí)，輸出壓力達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定的最大值，此后電流繼續(xù)增大，輸出壓力保持該定值不變。比例閥工作時(shí)氣壓調(diào)節(jié)有固定的調(diào)節(jié)范圍，所選比例閥的輸出氣壓調(diào)節(jié)與輸出流量關(guān)系如圖4所示。氣動(dòng)操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)保證當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作時(shí)，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(tǒng)工作將出現(xiàn)不穩(wěn)定情況[1]。

圖3 比例閥輸入與輸出關(guān)系

圖4 比例閥輸出壓力與輸出流量關(guān)系

2.3.4 轉(zhuǎn)向、制動(dòng)的控制

氣動(dòng)轉(zhuǎn)向、制動(dòng)裝置的氣路原理如圖5所示，工作簡(jiǎn)圖如圖6所示。氣動(dòng)操縱裝置由轉(zhuǎn)向手柄、制動(dòng)踏板、制動(dòng)帶氣缸、阻尼閥、轉(zhuǎn)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(jī)、過濾器、干燥器、儲(chǔ)氣筒和安全閥等組成。

圖5 氣動(dòng)轉(zhuǎn)向、制動(dòng)裝置原理

圖6 氣動(dòng)操縱裝置工作簡(jiǎn)圖

氣動(dòng)轉(zhuǎn)向、制動(dòng)操縱裝置設(shè)計(jì)為2種模式：人工操縱和自動(dòng)操縱。氣動(dòng)操縱中轉(zhuǎn)向和制動(dòng)都需要通過電位計(jì)控制比例閥，為滿足人工操縱需要，需設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向手柄和腳制動(dòng)踏板，因操縱電位計(jì)力量非常小，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向手柄和腳制動(dòng)踏板時(shí)，應(yīng)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(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 氣動(dòng)轉(zhuǎn)向、制動(dòng)操縱裝置工作

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，由皮帶輪帶動(dòng)空壓機(jī)工作，高壓空氣泵出，經(jīng)過濾、干燥后送入儲(chǔ)氣筒作為氣源使用。當(dāng)車輛直線行駛時(shí)，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(shí)左、右轉(zhuǎn)向離合器氣缸活塞桿縮回，轉(zhuǎn)向離合器接合，左、右制動(dòng)帶氣缸沒有控制氣壓，活塞在彈簧的作用下縮回，制動(dòng)帶松開。

3.1 轉(zhuǎn)向工作過程

當(dāng)車輛需要轉(zhuǎn)向(以人工操縱向左轉(zhuǎn)向?yàn)槔?時(shí)，轉(zhuǎn)向手柄扳至左側(cè)，換向閥S1接通換向，左轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向。在轉(zhuǎn)向手柄扳到左側(cè)的同時(shí)，截止閥S4電路接通，右側(cè)制動(dòng)氣缸氣路斷開，為下一步控制左側(cè)制動(dòng)帶做好準(zhǔn)備；轉(zhuǎn)向手柄在左側(cè)向后拉，轉(zhuǎn)向手柄控制電位計(jì)，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(dòng)帶氣缸，此時(shí)車輛進(jìn)行部分制動(dòng)轉(zhuǎn)向，制動(dòng)帶氣缸壓力、轉(zhuǎn)向角速度、左右車輪轉(zhuǎn)速曲線如圖7所示。轉(zhuǎn)向手柄后拉行程越大，比例閥控制電流越大，制動(dòng)力越大，轉(zhuǎn)向半徑越小，實(shí)現(xiàn)了通過轉(zhuǎn)向手柄對(duì)轉(zhuǎn)向半徑進(jìn)行控制；當(dāng)轉(zhuǎn)向手柄拉到最后，比例閥控制電流達(dá)到最大，輸出氣壓達(dá)到最大，制動(dòng)帶將制動(dòng)鼓完全抱死，車輛進(jìn)行制動(dòng)轉(zhuǎn)向，制動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)制動(dòng)壓力、轉(zhuǎn)向角速度、左右車輪速度曲線如圖8所示。當(dāng)完全松回轉(zhuǎn)向手柄時(shí)，比例閥氣壓調(diào)節(jié)到0，左制動(dòng)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(zhuǎn)向離合器接合，車輛由轉(zhuǎn)向恢復(fù)至直線行駛狀態(tài)。為控制制動(dòng)氣缸的回位速度，應(yīng)在制動(dòng)氣缸的排氣回路上加裝一個(gè)阻尼閥。

圖7 部分右制動(dòng)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8 右制動(dòng)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 制動(dòng)工作過程

當(dāng)車輛需要制動(dòng)時(shí)，踏下制動(dòng)踏板，制動(dòng)踏板控制電位計(jì)，調(diào)節(jié)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(shí)作用于左、右制動(dòng)帶氣缸，使制動(dòng)帶箍緊制動(dòng)鼓，車輛制動(dòng)，踏板行程越大，制動(dòng)力越大。當(dāng)松開制動(dòng)踏板時(shí)，左、右制動(dòng)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(dòng)氣缸活塞回位，制動(dòng)解除。

轉(zhuǎn)向、制動(dòng)過程均控制的是制動(dòng)帶氣缸，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向和制動(dòng)操縱的伺服控制共用一個(gè)比例閥，由轉(zhuǎn)向手柄和制動(dòng)踏板共同控制，為保證行車安全，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使制動(dòng)踏板優(yōu)先控制比例閥。車輛轉(zhuǎn)向、制動(dòng)操縱動(dòng)作邏輯順序如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)向、制動(dòng)操縱動(dòng)作邏輯

注：“×”、“√”分別表示該閥的斷電與通電。

4 操縱件測(cè)量參數(shù)對(duì)比

按照上述原理改造了某型履帶式裝甲輸送車，并進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)，原型車與改造車的操縱件相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)見表3、4。按照人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)要求[2]，最優(yōu)手操縱力為5～20 N，最優(yōu)腳操縱力為45～90 N，操縱桿最優(yōu)行程(短桿)為150～250 mm，從表3、4可知?dú)鈩?dòng)操縱件的操作力基本達(dá)到了最適宜程度。

表3 操縱桿對(duì)比

表4 制動(dòng)踏板對(duì)比

5 結(jié)論

氣動(dòng)轉(zhuǎn)向、制動(dòng)操縱特點(diǎn)如下。

1) 簡(jiǎn)化了操縱裝置的結(jié)構(gòu)，減小了整車質(zhì)量，節(jié)省了有效空間，因操縱件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間沒有機(jī)械聯(lián)系，在連接方式上具有很大的柔性，轉(zhuǎn)向操縱件既可設(shè)計(jì)成操縱手柄，也可設(shè)計(jì)成方向舵。改為氣動(dòng)操縱后，可以省去操縱桿及橫軸、縱拉桿、拉桿臂、中間軸、轉(zhuǎn)向傾斜拉桿、轉(zhuǎn)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(yè)空間有限，省去左、右操縱桿后,可以將駕駛室設(shè)計(jì)得更為合理，駕駛姿勢(shì)更為舒適，這對(duì)軍用車輛設(shè)計(jì)具有重要意義。

2) 操縱省力，操縱行程小，簡(jiǎn)化了操縱動(dòng)作，大大減小了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。原履帶式裝甲輸送車轉(zhuǎn)向操縱使用2個(gè)操縱桿，需要雙手聯(lián)合操縱，改造后將左、右操縱桿合二為一，由一個(gè)轉(zhuǎn)向手柄取代，使用正轉(zhuǎn)向和反轉(zhuǎn)向時(shí)不需要反復(fù)交替拉左、右操縱桿，左、右扳動(dòng)手柄即可實(shí)現(xiàn)車輛正轉(zhuǎn)向和反轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)換，使操作動(dòng)作大大簡(jiǎn)化，轉(zhuǎn)向操縱靈活簡(jiǎn)單，操縱準(zhǔn)確性更好，分離轉(zhuǎn)向位置控制更為準(zhǔn)確。

3)可以完全按照人機(jī)工程學(xué)最適宜的操作力和操作行程來設(shè)計(jì)操縱件，使駕駛艙的作業(yè)空間更為合理[3]，駕駛姿勢(shì)更為舒適。由于操縱手柄與受控部件之間沒有機(jī)械聯(lián)系，可以將轉(zhuǎn)向手柄與駕駛座椅固定在一起，當(dāng)駕駛椅升降時(shí)，轉(zhuǎn)向手柄一起升降，可消除駕駛椅升降對(duì)操縱的影響。

履帶車輛傳動(dòng)功率大，工作環(huán)境惡劣，轉(zhuǎn)向制動(dòng)操縱改為氣動(dòng)操縱后，操縱動(dòng)作迅速，執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度快，動(dòng)作準(zhǔn)確可控，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向控制操縱的自動(dòng)化。經(jīng)過實(shí)車試驗(yàn)證明，氣動(dòng)操縱大大簡(jiǎn)化了駕駛員的操縱動(dòng)作，減小了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，將雙手聯(lián)合操縱簡(jiǎn)化為一手操縱，駕駛員通過轉(zhuǎn)向手柄、制動(dòng)踏板發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠及時(shí)執(zhí)行指令，控制車輛轉(zhuǎn)向、制動(dòng)，氣動(dòng)操縱裝置既可滿足人工駕駛操縱的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)要求，也可滿足自主行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)控制需求。此設(shè)計(jì)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。

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