淺談一種車載電動調平支腿設計

宋振越，曹秀芳，侯曉亭

（南京晨光集團有限責任公司，江蘇 南京 210006）

對于現代化特種車輛，例如，雷達車、火炮發射車、搶險救援車、野戰醫療車等，車上通常搭載有許多高精度設備。這類設備工作前，通常需要先對車載平臺進行調平以對其提供一個良好的基準平面。當車輛到達預定位置后，車載平臺調平動作及設備工作結束后車輛撤收所需時長是極其重要的技術指標，對提高整車機動性能、及時捕捉戰機、贏取作戰的主動性至關重要。作為調平動作的執行機構，調平支腿根據驅動形式通常可分為電液調平支腿和電動調平支腿。對干電液調平支腿，系統需單獨配備液壓能源，存在維護和保養要求高、系統響應慢、容易因泄漏導致平臺精度難長時間保持等不可忽視的缺點。電動調平支腿由電機直接驅動，結構簡單、維護方便、能夠長時間可靠鎖定，符合調平工況的使用要求。本文介紹了一種車載電動調平支腿，能夠實現車載平臺的快速調平/撤收動作。

1 主要技術指標

（1）調平支腿能夠承受軸向動載荷200kN，靜載荷300kN，沖擊載荷510kN；（2）調平支腿收攏長度：≤1384mm；（3）有效行程：≥600mm；（4）空載伸出速度：≥149.8mm/s；（5）負載伸出速度：≥49.9mm/s；（6）24h 內位移變化量：≯1mm；（7）工作溫度：-40～70℃；（8）儲存溫度：-40 ～70℃；（9）具有防霉菌、防鹽霧、防砂塵等措施。

2 結構設計及工作原理

車載調平支腿通常通過安裝法蘭與車輛底盤安裝側板進行連接（如圖1 所示），各支腿底部支撐盤距離地面有一定的初始離地高度。以伸出調平過程為例，具體工作流程如下：支腿先按照指令同時空載伸出直至支撐盤撐實地面，隨后調平控制器根據安裝在底盤上傾角傳感器反饋的角度信息執行調平控制算法，繼續控制各支腿伸出不同長度直至滿足預期調平精度。當精度滿足指標要求后，支腿電機制動器對各支腿鎖定，保證目標平臺當前姿態。

圖1 調平支腿安裝示意圖

為實現車載平臺的快速調平/撤收，本文設計了一種如圖2 所示通過雙電機聯合驅動運行的調平支腿。該調平支腿采用“電機＋齒輪副＋滾珠絲杠副”并聯布局的方案，主要由空載電機、負載電機、減速器、離合器、齒輪箱、滾珠絲杠副、缸筒、支撐盤、限位開關等組成。由于負載電機為懸臂形式，為提高整個支腿運行的剛性，在負載電機與缸筒之間設置抱箍結構。齒輪箱兩側及缸筒側壁設有注油孔，方便使用過程中進行油脂加注。

圖2 調平支腿外形示意圖

該調平支腿采用兩個電機分別進行空載和負載的驅動。工作時，電機的旋轉運動經傳動機構最終轉化為活塞桿的直線運動，推動車體平臺升降動作直至實現預期平面精度。以伸出過程為例，支撐盤觸地前采用空載電機驅動，過程中電磁離合器斷開，空載電機的旋轉運動無法傳遞至行星減速器端而經齒輪箱后直接帶動活塞桿伸出，當支撐盤運行至距離地面設定位置時，電磁離合器吸合，調平支腿切換為由負載電機提供動力來源，繼續進行后續觸地前的低速伸出以及觸地后的調平動作。

3 選型計算

3.1 絲杠副設計

結合絲杠導程和受力情況，調平支腿最終選用高負載驅動滾珠絲杠副。該絲杠導程為10mm，承受額定靜載荷的能力為779.69kN（>510kN），動載荷能力338.57kN（>200kN），滿足使用要求。

3.2 傳動部件設計

綜合考慮調平支腿的結構布局及減速比的設置，總減速比設為16.02，其中齒輪箱的減速比設為2.67，減速器的減速比選擇為6。

（1）離合器。離合器選用電磁齒式離合器，設置在主動齒輪與減速器之間?？蛰d電機運行過程中離合器斷開，減速器不發生轉動；負載電機運行過程中離合器吸合，動力經減速器、齒輪箱傳遞至絲杠端。

（2）減速器。絲杠端額定輸入扭矩：

式中，1F偉調平支腿額定出力，按200kN 計算；hP為滾珠絲杠導程；1η為滾珠絲杠的傳動效率，取η1=0.93。

減速器所承受的額定動扭矩：

式中，ig為齒輪副的傳動比；η2為齒輪副的傳動效率，取η2=0.97。

絲杠端最大輸入扭矩：

式中，2F為調平支腿最大靜載荷，按510kN 計算。

減速器所承受的最大扭矩：

減速器選用精密行星減速器，額定輸出扭矩600Nm（＞132.2Nm），額定輸出轉速3000rpm，最大輸出扭矩1800Nm（＞337.2Nm），最大輸出轉速6000rpm，使用溫度-40 ～+70℃，防護等級IP65，滿足使用要求。

（3）負載電機。調平支腿額定出力時電機的輸出力矩：

式中，i為傳動機構的總傳動比；η為傳動機構的總效率，η=η1η2η3=0.875；η3為行星減速器的傳動效率，取η3=0.97。

調平支腿應在沖擊載荷的作用下保證可靠鎖定，按該數值進行電機失電制動器的計算：

根據上述計算，負載電機選用永磁同步伺服電機，該電機由永磁同步電機本體、磁極位置傳感器和失電制動器組成。電機額定輸出扭矩23.1Nm，1.2 倍過載扭矩27.72Nm（＞22.7Nm）。電機配置90Nm（＞57.9Nm）失電制動器，性能優良，可以實現調平支腿斷電后的自鎖功能，所采用的失電制動器適用環境溫度范圍為-40～+155℃，防護等級為IP67，整體封裝在電機內部，滿足使用要求。

（4）空載電機。調平支腿空載運行時電機的輸出力矩：

式中，3F為空載情況下調平支腿主要克服自身的摩擦力，參考絲杠的設計參數及運動件的摩擦力，取該力為10kN。

空載電機選用永磁無刷力矩電機，電機額定轉速1500rpm，額定輸出扭矩15Nm（＞6.6Nm），設置絕對值編碼器。

4 主要特點

4.1 調平/撤收時間短

傳統的調平支腿采用單電機作為動力來源，當支腿空載動作時，由于電機的高速旋轉運動會經減速器減速，因此無法實現支腿在該過程中的快速運行。本文設計的利用雙電機傳動的調平支腿，在空載和負載運行階段可通過不同電機提供動力來源，空載運行時的電機動力通過齒輪箱直接傳遞至絲杠端，因此可快速實現空載伸縮運動，具有調平/撤收時間短的特點。

4.2 安全系數高

調平支腿在進行結構設計時，留有足夠的安全余量，支腿在伸出、縮回兩個極限位置設置限位開關，同時負載電機采用多圈絕對值編碼器，支腿運行時在上位機程序中設置電機能夠運行的極限位置，確保在有效行程內運行。

5 結語

電動調平支腿根據調平控制系統指令，空載運行時由空載電機經齒輪箱、絲杠直接帶動活塞桿進行快速伸縮，當帶載運行時，電磁離合器吸合，負載電機的旋轉運動經減速器、齒輪箱、絲杠轉換為活塞桿的慢速伸縮。由于節省了空載運行時間，整個調平/撤收時長大大縮短，極大地提高了車載平臺的機動性能，對未來作戰具有重大意義。