履帶式車輛氣動AMT機構(gòu)設計與分析

， ， (裝甲兵工程學院 裝備試用與培訓大隊， 北京　100072)

引言

履帶式車輛行駛道路復雜，某型履帶采用機械傳動、機械操縱，換擋操縱力大，長時間駕駛?cè)菀自斐神{駛員疲勞。近幾年來，機械變速箱自動變速(AMT)技術在載重汽車上日趨成熟[1]，將AMT技術運用到履帶車輛上，對于減輕駕駛員的勞動強度，改善操縱環(huán)境具有重要的意義。

1　氣動AMT機構(gòu)的設計要求

1.1　某型履帶式車輛變速箱操縱裝置結(jié)構(gòu)

某型履帶式車輛發(fā)動機功率260 kW，傳動系統(tǒng)采用機械傳動，變速箱有5個前進擋、1個倒擋，最高車速56.1 km/h；換擋操縱裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由變速操縱器、變速桿、擋位拉桿和擋位拉臂等組成。換擋時，駕駛員操縱變速桿，通過擋位拉桿、擋位拉臂帶動撥叉軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)換擋操縱，每兩個擋位共用1個撥叉軸，共用3個撥叉軸，該變速箱撥叉軸在箱體外面，針對該結(jié)構(gòu)設計氣動AMT機構(gòu)。

1.變速箱體　2.一擋、倒擋拉臂　3.一擋、倒擋拉桿　4.擋位指針 5.二、三擋拉臂　6.二、三擋拉桿　7.四、五擋拉桿　8.四、五擋拉臂 9.輸入軸　10.變速桿　11.變速操縱器　12.輸出軸圖1　履帶車輛變速箱操縱裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2　氣動換擋機構(gòu)設計要求

換擋執(zhí)行機構(gòu)的優(yōu)劣直接影響整個AMT系統(tǒng)的性能，用電控氣動式換擋執(zhí)行機構(gòu)代替原有的機械操縱裝置，對履帶式車輛進行AMT改造，氣動AMT機構(gòu)的設計需滿足如下要求[2]：

(1) 工作穩(wěn)定可靠要求氣動換擋機構(gòu)工作時，能夠適應履帶車輛上的劇烈振動和沖擊，并能夠適應履帶車輛惡劣的工作環(huán)境，無故障工作時間符合規(guī)定的要求，使用維修方便；

(2) 響應速度快控制系統(tǒng)發(fā)出指令后，換擋機構(gòu)能夠快速響應，動作靈敏，換擋力和換擋行程滿足要求，換擋過程不會產(chǎn)生沖擊。履帶車輛采用慣性同步器，齒輪轉(zhuǎn)動慣量高，換擋時操作力大，如果換擋機構(gòu)推力小，就會造成換擋時間長或換擋不成功，造成齒輪與同步器體之間摩擦和噪聲，如果換擋機構(gòu)推力過大，會影響同步器壽命；

(3) 位置定位準確每個撥叉軸有3個位置，在中間位置為空擋，左、右轉(zhuǎn)動分別為2個擋位位置，3個位置都必須能夠準確的定位，這是氣動換擋機構(gòu)要解決的難點之一。

2　氣動AMT機構(gòu)設計

2.1　氣動換擋機構(gòu)結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)換擋要求，在雙伸桿氣缸的基礎上進行設計，換擋氣缸的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。換擋氣缸由雙伸桿氣缸、回位彈簧、彈簧座、氣缸接頭等組成，左右氣缸蓋上各有一個氣口(A口、B口)，左右活塞桿共用一個活塞，換擋氣缸裝配好后，左、右回位彈簧均處于預壓緊狀態(tài)。當A、B口均通大氣時，活塞桿在兩側(cè)回位彈簧的作用下，保持在中間位置，該位置為空擋位置，此時左、右彈簧的預緊力互為獨立，保證可靠定位，防止意外掛擋；當A口通高壓氣，B口通大氣時，活塞在壓縮空氣的作用下推動活塞桿向右運動，推動相應擋位的拉臂，使撥叉軸轉(zhuǎn)動，變速箱掛上擋， 左側(cè)回位彈簧壓縮，右側(cè)回位彈簧不變；當A口放氣時，活塞在左側(cè)回位彈簧的推動下回到中間位置；當B口通高壓氣，A口通大氣時，活塞向左運動，掛上另一側(cè)擋位，換擋機構(gòu)安裝簡圖如圖3所示。

圖2　換擋氣缸結(jié)構(gòu)圖

1.一、倒擋氣缸　2.二、三擋氣缸　3.四、五擋氣缸 4.主離合器氣缸圖3　操縱系統(tǒng)改造執(zhí)行機構(gòu)布置圖

2.2　氣動AMT機構(gòu)的工作原理

氣動AMT系統(tǒng)的氣路工作原理如圖4所示，它由3個換擋氣缸(D1、D2、D3)、1個離合器氣缸、3個三位五通中泄電磁閥(FD-F1、F2-F3、F4-F5)、1個比例閥BLF、1個減壓閥FY、1個單電控閥FK、空壓機、過濾器、干燥器和儲氣筒等組成。以二、三擋換擋氣缸為例，工作過程如下：換擋氣缸由三位五通中泄電磁閥(F2-F3)控制。在空擋位置時，電磁閥(F2-F3)均斷電，氣源由電磁閥封死，對應換擋氣缸的A口、B口均通過電磁閥與大氣相通，換擋氣缸在回位彈簧作用下均處于中間位置(即空擋)。當車輛需要掛擋(如二擋)時，電子控制單元(ECU)輸出一個模擬信號，使二擋電磁閥的線圈F2通電，二擋電磁閥閥芯向右移動，換擋氣缸的A口通高壓氣、B口仍通大氣，換擋氣缸D2迅速推動撥叉軸轉(zhuǎn)動， 掛上二擋。摘空擋時， ECU控制電磁閥線圈F2斷電，斷電后電磁閥(F2-F3)閥芯回到中間位置，A口卸壓，在回位彈簧的作用下?lián)Q擋氣缸活塞回到中間位置(空擋)；其他排擋的工作原理與二擋相同。換擋氣缸換擋瞬時需要高壓力，以使推力最大，換上擋后， 在不會自動退擋的情況換擋氣缸氣壓要小。

圖4　氣動AMT系統(tǒng)工作原理圖

為此，在氣路中加裝一個減壓閥FY和單電控閥FK，該閥由離合器控制，兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換自動完成，離合器接合時，換擋氣缸接低壓；離合器分離時，換擋氣缸接高壓。

3　氣動換擋執(zhí)行機構(gòu)的特性分析

3.1　模型的建立

為方便建立描述換擋執(zhí)行機構(gòu)氣壓缸運動數(shù)學模型, 對其運動過程作出以下假設：氣體為理想氣體，氣缸進排氣過程為等熵過程，排氣腔直接與大氣相連，取氣壓缸的摩擦力為定值，忽略由于氣體速度引起的氣體慣性力的影響，氣體只是以靜壓力形式作用于活塞，系統(tǒng)與外界無熱量交換。

在對氣動元件進行建模與計算的過程中，通常把氣動元件抽象成節(jié)流小孔或者收縮噴嘴，根據(jù)國家標準GB/T 14513-93氣動元件流量特性的測定公式[3]，進氣流量的計算方程為：

排氣流量的計算方程為：

式中：b為臨界壓力比，對于空氣b=0.528；p0為大氣壓強；p1為進氣腔壓強；ps為氣源壓強；p2為排氣腔壓強；Ts為氣源熱力學溫度；T2為排氣腔熱力學溫度；Ag為進、排氣管截面積。

進氣腔能量方程[4]：

排氣腔能量方程：

式中：k為氣體常數(shù)，一般取k=1.4；R為氣體常數(shù)，對于干空氣一般取R=287.06 J/(K·kg)；V1、V2為氣缸進、排氣腔的容積。

V1=V0+A0x

V2=V0-A0x

式中：A0為氣缸活塞截面積；L為活塞桿的行程；V0為進、排氣腔初始容積；x為氣缸活塞位移(以向右方向為正方向)；D為氣缸內(nèi)徑；d為活塞桿直徑。

帶入方程中得：

活塞的運動方程：

式中：m為活塞及其負載的總質(zhì)量，F(xiàn)f為活塞與氣缸之間的摩擦力，F(xiàn)max為換擋力的最大值，F(xiàn)t為彈簧的彈力。

Ft=k0(x+x0)

式中：k0為彈簧剛度，x0為彈簧初始時的預壓縮量。

3.2　換擋氣缸的計算與仿真分析

根據(jù)建立的換擋執(zhí)行機構(gòu)模型，利用MATLAB/Simulink軟件搭建了總體結(jié)構(gòu)如圖5所示的仿真模塊系統(tǒng)。

圖5　換擋氣缸仿真模型總體結(jié)構(gòu)框圖

如圖6所示，將表1[5]中的參數(shù)值輸入到已建立的系統(tǒng)仿真模塊中，得到進氣腔流量、進氣腔壓強、排氣腔流量、排氣腔壓強、活塞桿運動速度和活塞桿位移隨時間變化的曲線。

從換擋氣缸的仿真特性曲線可以看出，在理想狀態(tài)下，設計確定的該型號的氣缸建壓時間僅為0.01 s，活塞桿從中間位置到一端僅需0.08 s，能夠滿足車輛的換擋要求。

表1　仿真模型參數(shù)

4　氣動換擋執(zhí)行機構(gòu)的實車試驗分析

按照上述原理改裝某型履帶車輛，通過安裝相應的傳感器，在氣源壓力為0.85 MPa的條件下得到如圖7所示的壓強和擋位數(shù)據(jù)。

圖7　二、三擋執(zhí)行機構(gòu)試驗數(shù)據(jù)1

從圖7中可以看出，車輛在0～500 s之間共進行了17次二、三擋之間的互換，17次換擋都取得了成功，實現(xiàn)了預定的換擋意圖。下面對試驗中換擋氣缸運動到最大行程所用時間及氣缸建壓所用時間的數(shù)據(jù)進行分析。

從圖8中可以看出，t1為其中二擋換三擋過程中換擋氣缸運動到最大行程所用的時間，t2為其中一次三擋換二擋過程中換擋氣缸運動到最大行程所用的時間，對試驗中17次二、三擋互換過程中換擋氣缸運動到最大行程所用的時間統(tǒng)計如表2。通過表中的數(shù)據(jù)可以看出二擋換三擋氣缸運動到最大行程所用時間最長的一次為1.01 s，換擋時間的平均值僅為0.55 s；三擋換二擋氣缸運動到最大行程所用時間最長的一次為1.26 s，換擋時間的平均值僅為0.815 s。

圖8　二、三擋執(zhí)行機構(gòu)試驗數(shù)據(jù)2

表2　換擋時間統(tǒng)計表

從圖9中可以看出，t3為其中一次三擋氣缸建壓所需的時間，對試驗中18次氣缸建壓所用時間進行統(tǒng)計(如表3所示)，氣缸二擋建壓的最長時間為0.34 s，平均時間為0.19 s；三擋建壓的最長時間為0.35 s，平均時間為0.23 s[6]。

圖9　氣缸建壓時間示意圖

試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比可以發(fā)現(xiàn)：無論是氣缸的建壓時間還是氣缸運動到最大行程所用時間，試驗的測量值都要高于仿真值，其中的原因主要是由于仿真的模型是建立在諸多假設的理想情況下的，然而在實際情況下，電磁閥在工作的過程中，接收到電控信號后，閥芯的動作需要一定的反應時間，同時氣體從氣源經(jīng)過氣路到達氣缸也需要一定的時間，管路的彎曲更是會造成流通阻力的增大。因此在實際情況下，氣缸建壓與行駛到最大行程所需時間都要大于仿真所計算出的時間。但是，即使是在這種情況下，經(jīng)過氣動改造后的氣動換擋所用時間仍然要低于原有的機械換擋所用時間。

表3　氣缸建壓時間統(tǒng)計表

5　結(jié)論

根據(jù)換擋執(zhí)行機構(gòu)的設計需求，針對某型履帶式車輛的結(jié)構(gòu)及工作原理，設計了雙作用三位置換擋氣缸，并運用MATLAB/Simulink對氣缸的工作模型進行了仿真驗證與動態(tài)分析，最后在實車上進行了試驗。仿真與試驗的結(jié)果表明：新設計的氣動換擋執(zhí)行機構(gòu)能夠滿足該型履帶式車輛的換擋要求，實現(xiàn)擋位的準確定位，與原機械操作裝置相比，縮短了換擋時間。

參考文獻：

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