淺談一種車載電動調(diào)平支腿設(shè)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(xiàn)代化特種車輛，例如，雷達車、火炮發(fā)射車、搶險救援車、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，通常需要先對車載平臺進行調(diào)平以對其提供一個良好的基準平面。當車輛到達預(yù)定位置后，車載平臺調(diào)平動作及設(shè)備工作結(jié)束后車輛撤收所需時長是極其重要的技術(shù)指標，對提高整車機動性能、及時捕捉戰(zhàn)機、贏取作戰(zhàn)的主動性至關(guān)重要。作為調(diào)平動作的執(zhí)行機構(gòu)，調(diào)平支腿根據(jù)驅(qū)動形式通常可分為電液調(diào)平支腿和電動調(diào)平支腿。對干電液調(diào)平支腿，系統(tǒng)需單獨配備液壓能源，存在維護和保養(yǎng)要求高、系統(tǒng)響應(yīng)慢、容易因泄漏導(dǎo)致平臺精度難長時間保持等不可忽視的缺點。電動調(diào)平支腿由電機直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、能夠長時間可靠鎖定，符合調(diào)平工況的使用要求。本文介紹了一種車載電動調(diào)平支腿，能夠?qū)崿F(xiàn)車載平臺的快速調(diào)平/撤收動作。

1 主要技術(shù)指標

（1）調(diào)平支腿能夠承受軸向動載荷200kN，靜載荷300kN，沖擊載荷510kN；（2）調(diào)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(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

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空載伸出直至支撐盤撐實地面，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度直至滿足預(yù)期調(diào)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(tài)。

圖1 調(diào)平支腿安裝示意圖

為實現(xiàn)車載平臺的快速調(diào)平/撤收，本文設(shè)計了一種如圖2 所示通過雙電機聯(lián)合驅(qū)動運行的調(diào)平支腿。該調(diào)平支腿采用“電機＋齒輪副＋滾珠絲杠副”并聯(lián)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(guān)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(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)平支腿采用兩個電機分別進行空載和負載的驅(qū)動。工作時，電機的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)傳動機構(gòu)最終轉(zhuǎn)化為活塞桿的直線運動，推動車體平臺升降動作直至實現(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驅(qū)動，過程中電磁離合器斷開，空載電機的旋轉(zhuǎn)運動無法傳遞至行星減速器端而經(jīng)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(shè)定位置時，電磁離合器吸合，調(diào)平支腿切換為由負載電機提供動力來源，繼續(xù)進行后續(xù)觸地前的低速伸出以及觸地后的調(diào)平動作。

3 選型計算

3.1 絲杠副設(shè)計

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

3.2 傳動部件設(shè)計

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(fā)生轉(zhuǎn)動；負載電機運行過程中離合器吸合，動力經(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 計算；hP為滾珠絲杠導(dǎo)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(diào)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(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℃，防護等級IP65，滿足使用要求。

（3）負載電機。調(diào)平支腿額定出力時電機的輸出力矩：

式中，i為傳動機構(gòu)的總傳動比；η為傳動機構(gòu)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(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)值進行電機失電制動器的計算：

根據(jù)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(yōu)良，可以實現(xiàn)調(diào)平支腿斷電后的自鎖功能，所采用的失電制動器適用環(huán)境溫度范圍為-40～+155℃，防護等級為IP67，整體封裝在電機內(nèi)部，滿足使用要求。

（4）空載電機。調(diào)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(diào)平支腿主要克服自身的摩擦力，參考絲杠的設(shè)計參數(shù)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(zhuǎn)速1500rpm，額定輸出扭矩15Nm（＞6.6Nm），設(shè)置絕對值編碼器。

4 主要特點

4.1 調(diào)平/撤收時間短

傳統(tǒng)的調(diào)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(zhuǎn)運動會經(jīng)減速器減速，因此無法實現(xiàn)支腿在該過程中的快速運行。本文設(shè)計的利用雙電機傳動的調(diào)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(xiàn)空載伸縮運動，具有調(diào)平/撤收時間短的特點。

4.2 安全系數(shù)高

調(diào)平支腿在進行結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)置限位開關(guān)，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(shè)置電機能夠運行的極限位置，確保在有效行程內(nèi)運行。

5 結(jié)語

電動調(diào)平支腿根據(jù)調(diào)平控制系統(tǒng)指令，空載運行時由空載電機經(jīng)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(zhuǎn)運動經(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)省了空載運行時間，整個調(diào)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(zhàn)具有重大意義。