車載車輛原地調(diào)頭裝置的研究

李中澤 李敏敏 王 瑞

（濟(jì)南薩博特種汽車有限公司，山東濟(jì)南，250200）

0 引言

中重型車輛由于自身尺寸較長(zhǎng)，轉(zhuǎn)彎半徑大，受道路寬度限制，在狹窄路面無(wú)法隨時(shí)調(diào)頭，需要尋找寬闊的路面或合適的路口進(jìn)行調(diào)頭。應(yīng)急救援車輛在救援現(xiàn)場(chǎng)難以在雜亂的場(chǎng)地上快速調(diào)頭，不利于快速開展救援作業(yè)；軍用車輛難以在戰(zhàn)場(chǎng)等復(fù)雜環(huán)境下的路面上快速調(diào)頭，嚴(yán)重影響官兵及時(shí)高效地完成作戰(zhàn)任務(wù)。因此，中重型車輛急需一種自動(dòng)化的車載車輛原地調(diào)頭裝置，解決車輛在狹窄路面原地掉頭的難題。

1 現(xiàn)狀

1.1 民用車輛

目前，民用中重型車輛的原地調(diào)頭裝置中，國(guó)外某公司研制了礦用鉸接自卸車輛快速調(diào)頭機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)在后橋前設(shè)計(jì)2 個(gè)調(diào)頭用的輪子，輪子由液壓缸控制，行駛時(shí)可以收在腹下，調(diào)頭時(shí)可以放下并將后輪頂起。該輪子軸線與后橋成90°角，不需要其它機(jī)構(gòu)傳動(dòng)。需要調(diào)頭時(shí)，司機(jī)旋轉(zhuǎn)方向盤左轉(zhuǎn)，汽車左轉(zhuǎn)，汽車前后部軸線夾角到極限位置時(shí)，立即操縱液壓機(jī)構(gòu)，使2 個(gè)調(diào)頭輪子著地，可將汽車后橋頂起并使后輪離開地面。司機(jī)旋轉(zhuǎn)方向盤右轉(zhuǎn)，汽車后部在2 個(gè)轉(zhuǎn)向液壓缸作用下，繞著鉸接點(diǎn)作圓弧運(yùn)動(dòng)。汽車后部旋轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)，立即收起調(diào)頭輪子，司機(jī)只需按上述調(diào)頭步驟操作2次，就可以完成調(diào)頭過程[1]。該車輛原地調(diào)頭裝置只限于鉸接車輛，無(wú)法應(yīng)用于其他中重型車輛原地調(diào)頭。

1.2 軍用車輛

軍用中重型車輛有一種比較簡(jiǎn)單高效的原地掉頭方式。當(dāng)車輛需要調(diào)頭時(shí)，車上人員下車，官兵取下車輛配備的機(jī)械千斤頂和枕木，在車輛底部整車重心位置支撐車輛，然后，2 名官兵從車輛前部和后部分別抓緊車輛進(jìn)行控制，通過自身重力和舉升力調(diào)節(jié)整車狀態(tài)，使所有車輪離地，保持車輛相對(duì)地面平行。2 名高官兵在保持車輛狀態(tài)的同時(shí)，推動(dòng)車輛旋轉(zhuǎn)進(jìn)行車輛原地調(diào)頭，車輛旋轉(zhuǎn)至預(yù)期方向時(shí)，操作機(jī)械千斤頂降落，取回機(jī)械千斤頂和枕木，完成車輛原地調(diào)頭作業(yè)，如圖1 所示。但是，這種車輛原地掉頭方式也存在一些缺點(diǎn)，自動(dòng)化程度低，至少需要2 名官兵同時(shí)操作，且機(jī)械千斤頂支撐面小，車輛升起后不穩(wěn)定，需人工調(diào)節(jié)，存在安全隱患，不能應(yīng)用于整備質(zhì)量較大的重型車輛，有一定的局限性。

圖1 軍用中重型車輛原地掉頭展示

2 需求分析

中重型車輛的原地調(diào)頭裝置進(jìn)行調(diào)頭作業(yè)時(shí)環(huán)境多樣，需要充分考慮各種情況下存在的難題。并且，中重型車輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原地調(diào)頭裝置的設(shè)計(jì)需要不影車輛性能。在裝置的設(shè)計(jì)過程中需要考慮以下幾點(diǎn)需求：

(1)作業(yè)環(huán)境存在坑洼等路面不平整的情況，設(shè)計(jì)時(shí)需盡量減少原地調(diào)頭裝置作業(yè)時(shí)與地面接觸面，提高裝置的環(huán)境適應(yīng)性。

(2)車輛在安裝原地調(diào)頭裝置后不能影響車輛的正常行駛，并且避免與傳動(dòng)軸干涉，在裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用支撐油缸、調(diào)節(jié)油缸偏移設(shè)計(jì)和折疊伸縮結(jié)構(gòu)，解決與傳動(dòng)軸位置干涉，保證整車的通過角。

(3)受貨物裝載情況、油液加注情況等影響，中重型車輛存在重心位置不穩(wěn)定的情況，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮重心的位置變化，確保重心位置在支撐面內(nèi)，提高裝置的可靠性。

(4)中重型車輛在傾斜路面調(diào)頭時(shí)，車輛旋轉(zhuǎn)過程必須隨時(shí)調(diào)整姿態(tài)，防止車輛旋轉(zhuǎn)過程與地面干涉，需要增加姿態(tài)調(diào)整功能，使車輛旋轉(zhuǎn)在過程中能夠始終平行于地面。

(5)整個(gè)作業(yè)過程需要實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛狀態(tài)，及時(shí)采集數(shù)據(jù)，裝置在設(shè)計(jì)過程中加裝傳感器和中央處理器，中央處理器將傳感器采集的車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)傳遞到各工作元件，能夠及時(shí)調(diào)整動(dòng)作或停止作業(yè)，保證車輛安全。

(6)車載原地調(diào)頭裝置整體采用自動(dòng)化設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)有手動(dòng)模式，滿足車輛調(diào)頭的需求，具有高效安全，操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

3 車載車輛原地調(diào)頭裝置的設(shè)計(jì)

3.1 組成

車載原地調(diào)頭裝置由支撐油缸、調(diào)節(jié)油缸、液壓泵、液壓馬達(dá)、電動(dòng)機(jī)、油箱、底座、吊耳、陀螺儀、中央處理器、控制器、液壓閥、管線路等組成，如圖2 所示。

圖2 車載車輛原地調(diào)頭裝置外觀圖

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該車載車輛原地調(diào)頭裝置的支撐油缸和調(diào)節(jié)油缸通過2 對(duì)吊耳安裝在底盤大梁之間中心線右側(cè)的位置，避免與傳動(dòng)軸干涉。調(diào)節(jié)油缸與支撐油缸通過吊耳連接，用于控制支撐油缸的收放和車輛角度的調(diào)節(jié)。支撐油缸下端安裝位置偏移的底座，使底座的中心設(shè)置在車輛的重心處，具有平衡和支撐作用。液壓馬達(dá)安裝在支撐油缸上，通過齒輪使支撐油缸相對(duì)底座轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到車輛旋轉(zhuǎn)調(diào)頭的目的。電動(dòng)機(jī)、油箱、陀螺儀、中央處理器、控制器集成后安裝在副車架右側(cè)的下部，便于操作人員操作。該裝置設(shè)有自動(dòng)和遙控手動(dòng)模式，可隨地根據(jù)情況切換至遙控手動(dòng)模式進(jìn)行控制。

車輛行駛時(shí)，原地調(diào)頭裝置收縮于車架下部。需要原地掉頭時(shí)，操作人員觀察車輛所在環(huán)境的地形，初步判斷是否滿足調(diào)頭條件，確定車輛需旋轉(zhuǎn)的角度。然后，操作控制器上水平設(shè)置的標(biāo)有角度的旋轉(zhuǎn)操控按鈕，將按鈕旋轉(zhuǎn)至最終角度方向，此時(shí)鈕旋將指令傳遞給中央處理器，中央處理器采集陀螺儀測(cè)量的車輛前后和左右傾斜角度，根據(jù)車輛前后和左右傾斜角度判定該位置是否滿足調(diào)頭條件，確定滿足調(diào)頭條件后，中央處理器根據(jù)前后傾角參數(shù)，利用控制算法進(jìn)行計(jì)算，通過信號(hào)放大器將控制信號(hào)傳輸至換向電磁閥，通過對(duì)換向電磁閥控制，實(shí)現(xiàn)油缸伸縮及液壓馬達(dá)的控制。

3.2.1 車輛舉升

車載車輛原地調(diào)頭裝置作業(yè)時(shí)，首先調(diào)節(jié)油缸伸張，在調(diào)節(jié)油缸的推動(dòng)下支撐油缸圍繞吊耳旋轉(zhuǎn)達(dá)到豎直狀態(tài)，然后支撐油缸伸張至地面，將車輛頂起離地，車輛舉升的過程中央處理器實(shí)時(shí)采集傾角傳感器測(cè)量的車輛前后和左右傾斜角度，確保車輛安全。如舉升過程中由于支撐油缸底座不平穩(wěn)導(dǎo)致傾角不滿足舉升條件，作業(yè)立即停止，支撐油缸收縮，調(diào)整位置后再次舉升。

3.2.2 車輛旋轉(zhuǎn)

車輛舉升至合適的離地高度后支撐油缸狀態(tài)固定，控制器設(shè)定的旋轉(zhuǎn)角度由中央處理器計(jì)算后，將相應(yīng)信號(hào)傳遞給換向電磁閥，驅(qū)動(dòng)固定在支撐油缸壁上的液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)。液壓馬達(dá)通過齒輪軸連接支撐油缸伸縮桿上的底座，驅(qū)動(dòng)支撐油缸壁相對(duì)底座旋轉(zhuǎn)，使車輛旋轉(zhuǎn)至設(shè)定的方向。

3.2.3 狀態(tài)調(diào)整

旋轉(zhuǎn)過程中，陀螺儀將監(jiān)測(cè)信號(hào)傳遞給中央處理器，中央處理器通過信號(hào)放大器將控制信號(hào)傳輸至換向電磁閥，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)油缸伸縮的實(shí)時(shí)控制，持續(xù)調(diào)整車輛前后角度，使車輛達(dá)到相對(duì)地面平行狀態(tài)，保證車輛在有一定傾斜度路面也能夠正常旋轉(zhuǎn)。

3.2.4 車輛降落

車輛完成旋轉(zhuǎn)后支撐油缸收縮，車輛降落到地面，然后調(diào)節(jié)油缸收縮，將支撐油缸收縮于車架下部與車架平行，原地調(diào)頭裝置完成作業(yè)，達(dá)到回收狀態(tài)，車輛完成原地調(diào)頭。

3.3 液壓系統(tǒng)原理

液壓系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)與液壓泵連接，液壓泵向液壓系統(tǒng)提供高壓液壓油，將油箱的液壓油傳遞到各路換向電磁閥，中央處理器操控各路換向電磁閥將液壓油分配到調(diào)節(jié)油缸、支撐油缸和液壓馬達(dá)等各個(gè)液壓工作元件，即可完成所需的各種作業(yè)動(dòng)作，如圖3 所示。液壓系統(tǒng)設(shè)有溢流閥，能夠保證系統(tǒng)安全。

圖3 車載車輛原地調(diào)頭裝置液壓系統(tǒng)組成及工作原理圖

車載車輛原地調(diào)頭裝置開始原地調(diào)頭作業(yè)時(shí)，控制器將指令傳遞給中央處理器，中央處理器傳遞信號(hào)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，將液壓油從油箱中抽出，經(jīng)過過濾器過濾后進(jìn)入液壓泵，液壓泵將液壓油輸出，經(jīng)過單向閥后，到達(dá)各路換向電磁閥，通過操控各路換向電磁閥，將油液分配到調(diào)節(jié)油缸、支撐油缸和液壓馬達(dá)等各個(gè)液壓工作元件，以完成調(diào)頭作業(yè)所需要的各種動(dòng)作。

3.3.1 車輛舉升

中央處理器將電信號(hào)傳遞給調(diào)節(jié)油缸油路的換向電磁閥，使換向換向電磁閥從中位切換至左位。液壓油經(jīng)過換向電磁閥到達(dá)平衡閥，然后抵達(dá)調(diào)節(jié)油缸，使調(diào)節(jié)油缸伸張，推動(dòng)支撐油缸沿耳軸向下旋轉(zhuǎn)至豎直方向，中央處理器控制換向電磁閥至中位，調(diào)節(jié)油缸停止運(yùn)動(dòng)。然后，中央處理器控制支撐油缸向換向電磁閥從中位切換至左位，液壓油經(jīng)過換向電磁閥到達(dá)平衡閥，然后抵達(dá)支撐油缸，支撐油缸伸張，將車輛頂起至合適的離地高度后，中央處理器控制換向電磁閥至中位，支撐油缸停止運(yùn)動(dòng)，車輛完成舉升作業(yè)。

3.3.2 車輛旋轉(zhuǎn)

車輛完成舉升作業(yè)后開始進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)頭作業(yè)，進(jìn)行順針旋轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)，中央處理器將電信號(hào)傳遞給液壓馬達(dá)油路的換向電磁閥，使換向電磁閥在左位，液壓馬達(dá)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。車輛進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)，中央處理器將電信號(hào)傳遞給換向電磁閥，使換向閥在右位，液壓馬達(dá)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。車輛到達(dá)指定位置，停止旋轉(zhuǎn)時(shí)，中央處理器將電信號(hào)傳遞給換向電磁閥，使換向閥切換到中位，液壓馬達(dá)關(guān)閉，車輛停止旋轉(zhuǎn)。

3.3.3 狀態(tài)調(diào)整

車輛旋轉(zhuǎn)過程中，中央處理器根據(jù)車輛調(diào)頭前的前后傾斜角度，計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度與車輛前后傾斜角度的關(guān)系，根據(jù)傾角傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將信號(hào)傳遞到控制調(diào)節(jié)油缸的換向電磁閥，通過換向電磁閥切換左、中、右3 個(gè)位置，調(diào)節(jié)支撐油缸的伸縮，改變車輛前后傾斜角，確保車輛在旋轉(zhuǎn)過程始終與地面平行。

3.3.4 車輛降落

車輛旋轉(zhuǎn)至指定角度后，中央處理器將調(diào)節(jié)油缸油路換向電磁閥和支撐油缸油路換向電磁閥切換至右位，液壓油分別通過換向電磁閥進(jìn)入調(diào)節(jié)油缸油路和支撐油缸油路，支撐油缸首先開始收縮動(dòng)作，車輛降落至地面，支撐油缸完成收縮后，調(diào)節(jié)油缸油路的順序閥打開，調(diào)節(jié)油缸收縮，到達(dá)指定位置時(shí)限位閥開啟，油路關(guān)閉，完成車輛原地調(diào)頭作業(yè)。

4 應(yīng)用前景

該車載車輛原地調(diào)頭裝置采用電氣控制和液壓傳動(dòng)的形式，解決了中重型車輛由于自身長(zhǎng)度原因，難以在狹窄路面或復(fù)雜環(huán)境下調(diào)頭的問題。該裝置可廣泛應(yīng)用于民用車輛的在狹窄路面調(diào)頭，應(yīng)急救援車輛事故現(xiàn)場(chǎng)，軍用車輛在戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜路面原地調(diào)頭。能夠?qū)崿F(xiàn)民用車輛的降本增效，應(yīng)急救援車輛快速開展救援作業(yè)。軍用車輛在戰(zhàn)場(chǎng)及時(shí)高效地完成作戰(zhàn)任務(wù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，重中型汽車發(fā)揮著越來越重要的作用，越來越多的新技術(shù)應(yīng)用于中重型車輛，持續(xù)提升了中重型車輛的性能和功能，不斷解決車輛在實(shí)際應(yīng)用中的難題，滿足當(dāng)前中重型車輛發(fā)展的新需求。該車載車輛原地調(diào)頭裝置提供了一種新的車輛原地調(diào)頭方式，具有高效安全，操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可有效提高車輛的機(jī)動(dòng)性能，為駕駛?cè)藛T在狹窄路面或復(fù)雜環(huán)境下可靠高效的完成任務(wù)打下了良好的基礎(chǔ)。