淺談一種車載電動(dòng)調(diào)平支腿設(shè)計(jì)

宋振越，曹秀芳，侯曉亭

（南京晨光集團(tuán)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210006）

對(duì)于現(xiàn)代化特種車輛，例如，雷達(dá)車、火炮發(fā)射車、搶險(xiǎn)救援車、野戰(zhàn)醫(yī)療車等，車上通常搭載有許多高精度設(shè)備。這類設(shè)備工作前，通常需要先對(duì)車載平臺(tái)進(jìn)行調(diào)平以對(duì)其提供一個(gè)良好的基準(zhǔn)平面。當(dāng)車輛到達(dá)預(yù)定位置后，車載平臺(tái)調(diào)平動(dòng)作及設(shè)備工作結(jié)束后車輛撤收所需時(shí)長(zhǎng)是極其重要的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)提高整車機(jī)動(dòng)性能、及時(shí)捕捉戰(zhàn)機(jī)、贏取作戰(zhàn)的主動(dòng)性至關(guān)重要。作為調(diào)平動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)平支腿根據(jù)驅(qū)動(dòng)形式通?？煞譃殡娨赫{(diào)平支腿和電動(dòng)調(diào)平支腿。對(duì)干電液調(diào)平支腿，系統(tǒng)需單獨(dú)配備液壓能源，存在維護(hù)和保養(yǎng)要求高、系統(tǒng)響應(yīng)慢、容易因泄漏導(dǎo)致平臺(tái)精度難長(zhǎng)時(shí)間保持等不可忽視的缺點(diǎn)。電動(dòng)調(diào)平支腿由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、能夠長(zhǎng)時(shí)間可靠鎖定，符合調(diào)平工況的使用要求。本文介紹了一種車載電動(dòng)調(diào)平支腿，能夠?qū)崿F(xiàn)車載平臺(tái)的快速調(diào)平/撤收動(dòng)作。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

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

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

車載調(diào)平支腿通常通過安裝法蘭與車輛底盤安裝側(cè)板進(jìn)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(diào)平過程為例，具體工作流程如下：支腿先按照指令同時(shí)空載伸出直至支撐盤撐實(shí)地面，隨后調(diào)平控制器根據(jù)安裝在底盤上傾角傳感器反饋的角度信息執(zhí)行調(diào)平控制算法，繼續(xù)控制各支腿伸出不同長(zhǎng)度直至滿足預(yù)期調(diào)平精度。當(dāng)精度滿足指標(biāo)要求后，支腿電機(jī)制動(dòng)器對(duì)各支腿鎖定，保證目標(biāo)平臺(tái)當(dāng)前姿態(tài)。

圖1 調(diào)平支腿安裝示意圖

為實(shí)現(xiàn)車載平臺(tái)的快速調(diào)平/撤收，本文設(shè)計(jì)了一種如圖2 所示通過雙電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的調(diào)平支腿。該調(diào)平支腿采用“電機(jī)＋齒輪副＋滾珠絲杠副”并聯(lián)布局的方案，主要由空載電機(jī)、負(fù)載電機(jī)、減速器、離合器、齒輪箱、滾珠絲杠副、缸筒、支撐盤、限位開關(guān)等組成。由于負(fù)載電機(jī)為懸臂形式，為提高整個(gè)支腿運(yùn)行的剛性，在負(fù)載電機(jī)與缸筒之間設(shè)置抱箍結(jié)構(gòu)。齒輪箱兩側(cè)及缸筒側(cè)壁設(shè)有注油孔，方便使用過程中進(jìn)行油脂加注。

圖2 調(diào)平支腿外形示意圖

該調(diào)平支腿采用兩個(gè)電機(jī)分別進(jìn)行空載和負(fù)載的驅(qū)動(dòng)。工作時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)最終轉(zhuǎn)化為活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)車體平臺(tái)升降動(dòng)作直至實(shí)現(xiàn)預(yù)期平面精度。以伸出過程為例，支撐盤觸地前采用空載電機(jī)驅(qū)動(dòng)，過程中電磁離合器斷開，空載電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)無法傳遞至行星減速器端而經(jīng)齒輪箱后直接帶動(dòng)活塞桿伸出，當(dāng)支撐盤運(yùn)行至距離地面設(shè)定位置時(shí)，電磁離合器吸合，調(diào)平支腿切換為由負(fù)載電機(jī)提供動(dòng)力來源，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)觸地前的低速伸出以及觸地后的調(diào)平動(dòng)作。

3 選型計(jì)算

3.1 絲杠副設(shè)計(jì)

結(jié)合絲杠導(dǎo)程和受力情況，調(diào)平支腿最終選用高負(fù)載驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副。該絲杠導(dǎo)程為10mm，承受額定靜載荷的能力為779.69kN（>510kN），動(dòng)載荷能力338.57kN（>200kN），滿足使用要求。

3.2 傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)

綜合考慮調(diào)平支腿的結(jié)構(gòu)布局及減速比的設(shè)置，總減速比設(shè)為16.02，其中齒輪箱的減速比設(shè)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(shè)置在主動(dòng)齒輪與減速器之間?？蛰d電機(jī)運(yùn)行過程中離合器斷開，減速器不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；負(fù)載電機(jī)運(yùn)行過程中離合器吸合，動(dòng)力經(jīng)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(diào)平支腿額定出力，按200kN 計(jì)算；hP為滾珠絲杠導(dǎo)程；1η為滾珠絲杠的傳動(dòng)效率，取η1=0.93。

減速器所承受的額定動(dòng)扭矩：

式中，ig為齒輪副的傳動(dòng)比；η2為齒輪副的傳動(dòng)效率，取η2=0.97。

絲杠端最大輸入扭矩：

式中，2F為調(diào)平支腿最大靜載荷，按510kN 計(jì)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(zhuǎn)速3000rpm，最大輸出扭矩1800Nm（＞337.2Nm），最大輸出轉(zhuǎn)速6000rpm，使用溫度-40 ～+70℃，防護(hù)等級(jí)IP65，滿足使用要求。

（3）負(fù)載電機(jī)。調(diào)平支腿額定出力時(shí)電機(jī)的輸出力矩：

式中，i為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的總傳動(dòng)比；η為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的總效率，η=η1η2η3=0.875；η3為行星減速器的傳動(dòng)效率，取η3=0.97。

調(diào)平支腿應(yīng)在沖擊載荷的作用下保證可靠鎖定，按該數(shù)值進(jìn)行電機(jī)失電制動(dòng)器的計(jì)算：

根據(jù)上述計(jì)算，負(fù)載電機(jī)選用永磁同步伺服電機(jī)，該電機(jī)由永磁同步電機(jī)本體、磁極位置傳感器和失電制動(dòng)器組成。電機(jī)額定輸出扭矩23.1Nm，1.2 倍過載扭矩27.72Nm（＞22.7Nm）。電機(jī)配置90Nm（＞57.9Nm）失電制動(dòng)器，性能優(yōu)良，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)平支腿斷電后的自鎖功能，所采用的失電制動(dòng)器適用環(huán)境溫度范圍為-40～+155℃，防護(hù)等級(jí)為IP67，整體封裝在電機(jī)內(nèi)部，滿足使用要求。

（4）空載電機(jī)。調(diào)平支腿空載運(yùn)行時(shí)電機(jī)的輸出力矩：

式中，3F為空載情況下調(diào)平支腿主要克服自身的摩擦力，參考絲杠的設(shè)計(jì)參數(shù)及運(yùn)動(dòng)件的摩擦力，取該力為10kN。

空載電機(jī)選用永磁無刷力矩電機(jī)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1500rpm，額定輸出扭矩15Nm（＞6.6Nm），設(shè)置絕對(duì)值編碼器。

4 主要特點(diǎn)

4.1 調(diào)平/撤收時(shí)間短

傳統(tǒng)的調(diào)平支腿采用單電機(jī)作為動(dòng)力來源，當(dāng)支腿空載動(dòng)作時(shí)，由于電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)經(jīng)減速器減速，因此無法實(shí)現(xiàn)支腿在該過程中的快速運(yùn)行。本文設(shè)計(jì)的利用雙電機(jī)傳動(dòng)的調(diào)平支腿，在空載和負(fù)載運(yùn)行階段可通過不同電機(jī)提供動(dòng)力來源，空載運(yùn)行時(shí)的電機(jī)動(dòng)力通過齒輪箱直接傳遞至絲杠端，因此可快速實(shí)現(xiàn)空載伸縮運(yùn)動(dòng)，具有調(diào)平/撤收時(shí)間短的特點(diǎn)。

4.2 安全系數(shù)高

調(diào)平支腿在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，留有足夠的安全余量，支腿在伸出、縮回兩個(gè)極限位置設(shè)置限位開關(guān)，同時(shí)負(fù)載電機(jī)采用多圈絕對(duì)值編碼器，支腿運(yùn)行時(shí)在上位機(jī)程序中設(shè)置電機(jī)能夠運(yùn)行的極限位置，確保在有效行程內(nèi)運(yùn)行。

5 結(jié)語

電動(dòng)調(diào)平支腿根據(jù)調(diào)平控制系統(tǒng)指令，空載運(yùn)行時(shí)由空載電機(jī)經(jīng)齒輪箱、絲杠直接帶動(dòng)活塞桿進(jìn)行快速伸縮，當(dāng)帶載運(yùn)行時(shí)，電磁離合器吸合，負(fù)載電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)減速器、齒輪箱、絲杠轉(zhuǎn)換為活塞桿的慢速伸縮。由于節(jié)省了空載運(yùn)行時(shí)間，整個(gè)調(diào)平/撤收時(shí)長(zhǎng)大大縮短，極大地提高了車載平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性能，對(duì)未來作戰(zhàn)具有重大意義。