装甲车水上转向系统液压摆动油缸及液压系统的设计.docx
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装甲车水上转向系统液压摆动油缸及液压系统的设计
摘要
本设计主要是对水陆两用的装甲车在水中浮动时的驱动装置进行设计，采用液压摆动油缸能够节省空间，减轻重量，借助于控制系统，能够实现其良好的运转。
在整个系统中，水门的工作性质决定了对控制的当前优先性，在操作的时候主要是实现摆动油缸的正反转的问题，通过对摆动油缸的机构设计，实现摆动液压油缸需要的转动角度。
在油缸的结构中，设计了两块叶片和两个定位挡块，通过定位挡块的限位作用，保证叶片在0~90度的范围内转动，同时设计两个叶片也有利于摆动液压油缸的内部平衡。
对于方案的可行性，通过一系列的计算验证是可行的，在现实中有一定的实际意义,能够用于实际生产。
关键词摆动液压油缸；驱动装置；叶片；定位挡块
ABSTRACT
Thethesisdiscussesthedesignofamphibiousarmoredvehicles'drivedevice,whenisfloatinginthewater.Itcansavespace,reduceweightwhenweuseHydraulicoscillatingcylinder,andachieveitsgoodfunctioningbytheuseofcontrolsysterm.throughoutthesysterm,theworknatureoftheWatergatedecidesthecurrentpriorities,itmainlyfocusesontherotatingdirectionofthetank,whenisswingingintheoperation.throughthestructuredesignofswingingtank,itcanachieverotationangleofHydraulicoscillatingcylinder,whichisneeded.Inthestructureoftank,Idesigntwoleavesandtwolocatedblocks，itcanassuretheleaves'rotationinthescopeof0-90°,andmeanwhilethetwodesignleavesarealconducivetoswingcylinder'sinte
Forthefeasibilityoftheprogram,wecanuseaseriesofcalculation,whichisprovedtobefeasible,andtherearecertainpraticalsignificancetoo,whichcanbeusedforactualproductio.
Keywords：
Hydraulicoscillatingcylinder,drivedevice,leaves,locatedblock
1.绪论
1.1课题的研究背景及发展状况
转向系统是机动车辆非常关键不可缺少的一个部分。
转向系统性能的好坏，直接影响到机动车辆的其它系统性能的发挥和车辆安全行驶性能，对于装甲车来说更是如此。
当装甲车需要具有渡江渡海能力时，就称为两栖装甲车辆，同样其水上转向系统又是决定它在水中性能否快速反应的关键。
现在的两栖装甲车的水上转向系统是把柱塞式液压油缸的往复运动转换为水门或侧舵的旋转运动，使水门或侧舵打开或关闭。
其电器系统最早是基于继电器控制；目前为基于单片机和传感器的闭环控制系统或PLC控制；最新的发展趋势是基于CAN总线协议的单片机控制。
由于当前的两栖装甲车辆的驱动装置是柱塞式液压油缸，因此采用摆动液压油缸在占用空间小、减少传动链、使用安全方面具有特殊的创新意义，具有实际使用价值。
这样使得两栖装甲车辆能够装载更多的作战装备，从而使整车的综合性能得到提高。
1.2装甲车辆两栖的概述
具有浮渡能力的在水里一类装甲车辆是指两栖装甲车辆，具有两栖性能是本车的最大特色。
轮带和履带是两种不同类型的装甲车；两栖装甲战斗车辆、两栖装甲保障车辆两类是根据作战能力的区别而划分，比如说战斗车辆等。
两栖装甲救护车属于两栖装甲保证车辆。
两栖装甲车辆依靠螺旋桨喷水推进器等装置在水中推进。
全球规模较大的各海军陆战队最重要的装备之一是两栖装甲车辆。
1.2.1两栖装甲车辆的问世及发展概况
英国是两栖装甲的原产地。
时间大概是1918年10月左右。
在1920年间有改装了坦克，作为第一辆水路两栖的装甲车辆。
在当时那个年代，可谓是创造了一个很大的奇迹。
并且推动了两栖装甲车的发展。
不久之后，苏联也发明了水陆坦克。
也是推动了装甲车辆划时代的进步。
这不仅是苏联人民的骄傲，也是世界的骄傲。
从一战到二战期间是装甲车辆发展较慢的时期，这是大家公认的结果。
这是为什么？
最重要的一个原因是登陆作战没有进入到指挥员的眼睛里。
后来在二战期间，由于战争的节节失利，形势非常不乐观。
二战开始后，在欧洲、北非及太平洋各战场，由于盟军初期的失利，致使随后的反攻作战非从海上发起不可，因此登陆作战的次数相当频繁，规模越来越大，组织指挥更加复杂登陆作战才再次受到各国军事专家的重视。
登陆作战的广泛应用，不仅在各个战区，而且在战争的各个阶段都起了重要作用，给两栖装甲车辆的发展创造了历史机遇。
1942年，日本研制成功“卡米沙”水陆坦克，车尾装有螺旋桨，水上最大航速达到了9.6千 米/小时。
同年，美国开始对一种被叫做“鳄鱼”的LVT1两栖车辆进行改进，并命名为“水牛”LVT2，其中加上装甲的称为LVT（A）2，成为美国第一辆两栖装甲车，专门用于在两栖作战中运送军用物资。
1943年，美国又定型生产出发动机前置的LVT3。
在此之后，又将LVT3的尾门改装成跳板式，制造出LVT4。
LVT4战斗全重16.5吨，乘员3人，载重4086千克可以装载30名士兵或一辆吉普车，或1门反坦克炮，采用风冷汽油机，最大功率184千瓦，水上靠履带划水，最大航速达到10千米/小时，是二战期间LVT系列中生产数量最多的装甲车。
美国在不断发展LVT系列装甲车的同时，为了适应登陆作战和岛屿争夺的需要，又在M4中型坦克尾部加装2个直径为66厘米的螺旋桨，并首次采用浮渡围帐提供附加浮力的方式，将重达30吨的坦克浮于水上，使水中最大航速达到了8～10千米/小时，这型坦克就是M4DD在诺曼底登陆作战中共1０个M4DD坦克营参战。
50～60年代，两栖装甲车辆的技术逐步走向成熟。
1952年，前苏联装备了集水陆、侦察等用途于一身的、设计独特的ПТ－76水陆坦克，随后又利用该坦克底盘研制成功了БТР-50П两栖装甲输送车。
ПТ-76水陆坦克采用船形装甲钢焊接车体，并最早使用了喷水推进器，水上航速达到10千米/小时，装有1门76毫米加农炮，能在水上射击。
总产量高达10000辆，曾经有30多个国家的军队装备该车，至今仍有一些ПТ-76在编。
1960年前苏联又开始装备一些БТР-60轮式两栖装甲输送车，该车累计生产了2.5万辆，是其生产数量最多的一种轮式装甲车辆。
与此同时，美国开发出了LVTP5两栖装甲突击车系列。
LVTP5有3名乘员和34名载员，装有1挺7.62毫米机枪，车体前部有铰接其上的跳板，由液压机构控制。
车体两侧各有1扇紧急舱门，发动机后置，水中靠履带划水，最大航速达10.9千米/小时。
美国海军陆战队已于1974年淘汰该系列，目前台湾海军陆战队中还装备有该系列中的LVTH6自行榴弹炮和LVTR1抢救车。
1964年，中国军队装备了自行研制的63式水陆坦克。
该坦克战斗全重18吨，乘员4人，装有1门85毫米坦克炮，采用喷水推进器，水上最大航速达到12千米/小时，当时称得上是世界最先进的水陆坦克。
70年代至今，水陆坦克的发展基本处于停滞状态，但是其他两栖装甲车辆的研制与改进从未停止。
美国海军陆战队于1971年8月装备了新一代两栖装甲突击车LVTP7系列。
该系列突击车车体为铝合金装甲焊接结构，车首呈尖形，并略向下倾斜，两侧甲板向内倾斜，车尾设有液压控制的跳板，主要武器为1挺12.7毫米机枪，装有喷水推进器，水上最高航速达到13.5千米/小时。
从1977年开始，美国又开始对LVTP7的动力装置、瞄准仪器和悬挂装置等进行改进完成了向AAV7A1的过渡。
70年代，中国采用63式两栖坦克底盘，发展了77－1、77－2两栖装甲输送车和76式两栖坦克抢救车。
此间，两栖装甲车辆的范围开始扩大，两栖性能得到普遍重视，这一时期问世的步兵战车，装甲输送车和空降战车，无论是履带式还是轮式，几乎都具备两栖性能。
如美国的LAV和“突击队员”系列，苏联的БМП步兵战车系列、БМД伞兵战车系列、БТР－70和БТР－80装甲输送车、2C9式自行迫榴炮，法国的AMX10P步兵战车，中国的86式和WZ551步兵战车，德国的“狐”式装甲输送车和“山猫”装甲侦察车等。
这些两栖装甲车辆大都装有专用的水上推进装置，而采用制式浮箱、浮囊或浮渡围帐并借用陆上行进装置推进的形式已有日见减少的趋势。
1.2.2两栖装甲车的结构及战技性能
两栖装甲车辆因为不仅要满足陆地行驶作战的需求，而且要满足水上行驶作战的要求，所以它的总体设计要求严格，结构比较复杂。
首先必须保证两栖装甲车辆的车体具有水密性，通过该密闭车体的排水体积，提供相应的浮力。
同时，为保证水上使用的安全性并使战斗车辆具备在水上发扬火力的能力，设计之初就保证具有一定的浮力储备。
一些仅依靠水密车体还不足以产生所需浮力的装甲车辆，还带有一些辅助机构，以便于平时携带、战时迅速展开和固定制式浮箱、浮囊或浮渡围帐。
为了减轻车体重量，有些两栖装甲车辆还选用铝合金材料 作为防护装甲。
其次，除了在水中使用履带或轮胎作为推进工具的以外，其他两栖装甲车辆 还设计有一套水上动力传动和推进机构。
陆上行驶时，该套机构不工作；水上航行时，该机构用于把发动机的动力传到车体后部安装的螺旋桨或喷水推进器，通过与水的相互作用转变为推力，确保车辆航行的动力需要。
第三，驾驶舱内装有一套水上操纵机构，控制两栖车辆在水上的前进、倒车和转向等行动；有些两栖装甲车辆的发动机有陆上和水上两种不同的工作状态，因此，车内还有用于实现陆上和水上工作状态转换的装置。
第四，为了保持水上航行的良好姿态，在车首均设有各种防浪板及操纵机构。
平时防浪板折放在车首，航行时使用手动或液压机构向前展开，避免浮渡时车首大量涌水和车辆扎头等现象。
此外，车内均装有手动或电动排水泵，用于排除车内积水；一般还配备撑杆、驾驶员水上使用的高潜望镜等个别的两栖装甲车辆还装备有空投用具。
两栖装甲车辆的机动能力总体上明显优于其他装甲车辆。
两栖装甲车辆相对较轻，所用发动机的功率一般大于其同一系列其他车或前一代车，不仅陆上行进速度较高，而且还可以保证水上高速航行对动力的要求；水上航速一般为6～10千米／小时，有些两栖装甲车辆不仅在水上航速较高，而且具有抗海浪和行进间射击能力。
为了保证水上航行的浮性和稳性，确保安全，两栖装甲车辆均具有一定的浮力储备，一般为20％～30％；有些两栖装甲车辆还具有空运性能，具备战略机动能力。
因两栖装甲车辆的车载武器不尽相同，形成用途各异的战斗车辆。
如水陆坦克、两栖装甲 突击车、两栖装甲输送车、两栖火炮发射车、两栖导弹发射车等等。
在两栖作战中，防御方的坦克、固定火力发射点、永备工事等是进攻方两栖装甲车辆的主要攻击目标。
因此现代两栖装甲车辆多配备了反坦克武器。
БМП－3步兵战车安装了100毫米两用炮，AMX１0PAC90水陆坦克安装了90毫米炮，AMX10RC装甲侦察车安装了105毫米坦克炮，俄罗斯 的步兵战车、空降战车及美国AAV7A1两栖装甲突击车均配备有反坦克导弹。
其中，AMX10RC装甲侦察车的105毫米炮发射的尾翼稳定脱壳穿甲弹可在2009米距离内击穿北约三层重型靶板。
俄罗斯БМП－3步兵战车上使用的AT－10反坦克导弹在有效射程内能击穿650毫米厚钢装甲板。
两栖装甲车辆由于受其水上机动性能的制约，主装甲普遍较薄，只能抵御轻武器的射击但是，为了提高装甲防护能力，有的车辆也采取了一些有力的措施。
AAV7A1两栖装甲突击车安装了一种双层的增强型附加装甲，使车体两侧、倾斜部、顶部和舱门等增强了防护力，从整体上讲可抵抗12．7毫米和14．5毫米机枪及155毫米榴弹片的攻击。
БМП－3步兵战车采用了铝合金装甲，在重要部位用高强度钢作了加强，在炮塔周围还安装了间隙式附加装甲。
1.2.3两栖装甲车的未来发展趋势
随着科学技术的不断发展，电子化、信息化将在装甲车辆中得到全面反映。
如敌我识别 器、超近反导、激光报警、热成像、激光测距、影像融合、GPS定位/导航等技术以及全自动火控系统都将根据不同的需要，应用到装甲车辆上。
两栖装甲车辆作为一种特殊的装甲车辆，在这方面也不会例外，并且由于两栖作战的迫切需要，还有可能在某些方面领先于其他装甲车辆。
此外，两栖装甲车辆的水上性能将呈现两极分化趋势。
一方面，那些以陆地性能为主兼具克服水障能力的两栖装甲车辆，其水上推进方式及航行速度将基本保持目前的水平．随着一些新技术的采用，两栖装甲车辆的水上推进效率和水上航行速度虽然也会有所提高，但是幅度不会很大，难以产生质的飞跃；另一方面，由于未来登陆作战是高技术条件下 的大规模、高强度和陆海空三军联合的立体作战，必将促使那些以由海向陆实施平面登 陆作战为主的两栖装甲车辆，在其总体结构、水上推进方式及航行速度等诸多方面有重 大突破性发展。
最典型的代表就是美国正在开发的AAAV先进两栖突击车，预计将在2008 年装备美国海军陆战队。
美国AAAV先进两栖突击车最突出的特点就是引进滑行车体的 概念，并采用伸缩式悬挂装置，大大减少了水上航行的阻力，消除了以往两栖装甲车辆 水上航速达到一定数值就会产生阻力墙这一现象。
同时还选用功率高达1911.8千瓦的两级 增压发动机和直径为584毫米的喷水推进器，使水上航速达到37～46.25千米／小时，能够 满足美国“超视距”登陆作战概念的要求。
这些新技术的实际应用，预示着两栖装甲车 辆的发展必将取得实质性突破。
1.3水上转向系统概述
水上推进装置是用来将发动机传来的动力转变为喷水推力，使两栖装甲车辆在水上航行的装置。
两栖装甲车辆的水上推进装置有两个，分别装在两栖装甲车辆后部的左、右两侧。
装甲车辆入水前，打开水门，挂上水档，发动机动力由分动箱传来，带动左、右推进装置中的推进器旋转。
入水后，水由车体底部进水道吸入，经叶轮进入推进器体，在导流片的作用下，水的螺旋运动变为直线运动，以很高的速度从尾喷管喷出，产生推力，推动两栖装甲车辆前进。
倒车时，水门关闭，水由倒车水道向侧前方喷出，使两栖装甲车辆倒退。
关闭一侧水门时，从倒车水道喷出的水流与另一侧水道往后方喷出的水流形成力偶，使两栖装甲车辆以最小的转向半径向关闭水门的一侧转向。
目前，国内水陆装甲车水上推进装置是采用柱塞式液压油缸对水门进行驱动，体积较大，占用空间（如图1示），其自身也是用钢铁材料制造，给车增加了重力负担，这对于在水中浮渡来说是很不利的；另外，从推进装置原理可知，对于装甲车在水上转向是通过左右门的开关来实现的，所以就必须有检测水门开闭度的装置——传感器。
传感器是一种精密的仪器，对其自身及安装的精度都有很高的要求，目前国内的传感器生产技术上与国外还有一定的差距。
传感器还存在零点漂移，这就存在校准问题，而且这与温度有关，使得校准平衡变得很困难。
另外从其安装上来看，不能直接与驱动轴连接，而要通过弹簧（因不能直接刚性联接，同轴度考虑）。
图1控制实验台
1.4液压摆动油缸概况
摆动液压油缸，在很多专业书籍里亦称为摆动液压马达，是一种输出轴作摆动往复运动的液压执行软件。
摆动液压油缸突出的优点就是能使负载直接获得往复摆动运动，无需任何变速运动。
因此，也被广泛应用于各个领域，如舰用雷达天线稳定平台的驱动，声纳基体的摆动，鱼雷发射架的开启，液压机械手，装载机上铲斗的回转，机床上回转台的转动等等。
在矿山和石油机械上用得也比较普遍，以往由于运动部位密封不良，造成内泄漏较大，影响其使用。
随着结构和工艺的改进，密封材料的改善，内泄漏已能够控制在允许范围内。
应用的压力范围也已扩大到中高压，少数可用于高压（约20MPa）。
输出扭矩可以从零点几N.m到几千N.m，个别可达数万N.m.输出轴的低速稳定性，有的产品已能做到0.002-0.003rad/s。
我在选择设计方案时，对于液压油缸的选用，主要考虑到实际的负载转矩、系统的工作压力、最大和最小角速度、最大摆动角度、中间位置保持停止的必要性等。
通常摆角在310以上时，选用活塞式摆动油缸，对于小摆角的负载，可选用运转平稳的叶片式摆动油缸；若安装空间小而转矩大的负载，且液压系统允许，可选用工作压力较高的油缸，因摆动时油缸的效率不是很高，选用时应使油缸的转矩比负载转矩略大些，对于动态品质要求较高，客选用运转平稳的叶片式摆动油缸；对于回转速度高和负载惯性大的场合，在液压系统中应考虑设置过载保护和缓冲或止动装置。
考虑到对于转轴平稳性的要求及转角的范围只需0~90°，所以选用双叶片式结构的摆动液压油缸。
双叶片式油缸的叶片和止挡成对配置，压力油腔都对输出轴对称，因此径向液压力克互相抵消，使输出轴不受径向负荷，在相同结构尺寸下双叶片式摆动液压缸的输出扭矩可比单叶片式的要增加一倍。
其机械效率更高，但转角则相应减小了，内泄漏也较大，容积效率较低。
由查资料可知,其最大转角≤100°工作压力≤21MPa,输出扭矩≤83000N.m,角速度≤100°/S以下。
其工作原理图如下：
图2油缸工作原理简图
1.5液压系统概叙
液压系统有液压传动系统和液压控制系统之分，一般所说液压系统的设计则是泛指液压传动系统的设计。
其实从结构组成或工作原理上看，这两类系统并无本质上的差别，仅仅一类以传递动力为主，追求传动特性的完善，其执行元件用来驱动主机的某个部件；另一类以实施控制为主，追求控制特性的完善，其执行元件用来驱动某个液压件的操纵装置（例如液压泵、液压纳达的变量机构，液压阀的阀心等）而已。
因此，传动系统的设计内容和方法只需略作调整，即可直接用于控制系统的设计。
液压传动系统有液压开关传动系统、液压伺服传动系统、液压比例传动系统等多种类型。
从表面上看，它们在设计上存在不少差异，有些区别还是很大的。
但是，如果从传递动力这个设计的主导方面来看，它们又相互沟通，掌握了一种就会设计另一种。
在这里，液压开关系统的设计不但出现得最早，油路结构亦最复杂，考虑的方方面面也最多，因此也就最具有典型性。
任何液压系统的设计，除了应满足主机在动作和性能方面规定的种种要求外，还必须符合重量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、工作可靠、使用和维护方面等一些公认的普遍设计原则。
设计液压系统的出发点，可以是充分发挥其组成元件的工作性能，也可以是着重追求其工作状态的绝对可靠。
前者着眼于效能，后者着眼于安全；实际的设计工作则常常是这两种观点不同程度的组合。
为此，液压传动系统的设计迄今仍没有一个公认的统一步骤，往往随着系统的繁简，借鉴的多寡，涉及人员的经验的不同而在做法上呈现出差异来。
液压驱动的优点是：
（1）、结构简单、体积小、重量轻、输出功率大；
（2）、液压装置工作比较平稳；
（3）、液压装置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达2000），它还可以在运行过程中进行调速；
（4）、液压传动易于自动化，接受远程控制；
（5）、液压装置易于实现过载保护，液压件能自行润滑，使用寿命较长；
（6）、由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便，元件布置具有较大机动性；
（7）、用液压传动来实现直线运动远比用机械传动简单[2]。
其缺点是：
（1）、不能保证严格的传动比；
（2）、在工作过程中常有较多的能量损失；
（3）、液压传动对油温变化敏感，稳定性受环境温度影响，不宜在高温或是低温条件下工作；
（4）、元件的制造精度要求要，造价较贵，对油液的污染敏感；
（5）、要求有独立的能源；
（6）、出现故障时不易找出原因。
1.6液压系统设计的基本要求
主机的用途、主要结构、总体布局；主机对液压系统执行元件在位置布置和空间尺寸上的限制。
（1）、主机的工作循环，液压执行元件的运动方式（移动、转动或摆动）及其工作范围。
（2）、液压执行元件的负载和运动速度的大小及其变化范围。
（3）、主机各液压执行元件的动作顺序或互锁要求。
（4）、对液压系统工作性能（如工作平稳性、转换精度等）、工作效率、自动化程度等方面的要求。
（5）、液压系统的工作环境和工作条件，如周围介质、环境温度、湿度、尘埃情况、外界冲击振动等。
（6）、其他方面的要求，如也要装置在重量、外形尺寸、经济性等方面的规定或限制。
在液压系统设计的第一个步骤中，往往还包含着“主机采用液压传动是否合理或在多大程度上合理（即液压传动应否合其他传动结合起来，共同发挥各自的优点以形成合理的传动组合）”主要一个潜在的检验内容在内，勉强采用一种不太合理的传动方案是不会给主机带来任何好处的。
2.系统设计方案
2.1摆动液压缸的设计概况
（1）、要求：
性能稳定，控制转向角度0－90°，能够在海水环境下作业，要求油缸耐水、耐盐腐蚀，总体布局要求合理，体积和重量尽可能的小。
（2）、所需完成动作:
摆动液压缸输出轴控制水陆装甲车在水上推进时的水门开合。
（3）、运动形式及运动速度：
运动形式为转动，由目前状态转换到另一状态结束所需时间为4秒。
（4）、对调速范围、运动平稳性、转换精度及性能方面的要求：
调速范围小，运动平稳性好，转换精度高。
（5）、自动化程度和操作控制方式的要求。
（6）、对效率、成本等方面的要求：
要求效率比较高，服役时间10年以上，成本无特殊要求。
2.2原设计方案相应工作元件的性能特点
原来设计采用的是德国HKS摆动液压缸对水门进行驱动（见图3），根据原来的设计的要求和计算，我在网上查阅了许多关于这方面的资料，同时我们与上海金撼神贸易有限公司（提供德国HKS摆动液压缸等机械产品）取得联系，根据该公司所提供的一些资料及我们工作台的工作及尺寸的要求等实际情况进行一些分析。
首先从力学方面考虑，传动扭距的确定，如果将一个质量从静止状态中在时间tges內摆动角度Φges，除去克服阻力（摩擦力），还要考虑对质量的加速，对质量的迟滞，这些扭距之和就是摆动缸所需要的工作扭距。
这里值得注意的是，在任何一个位置，如下的不等式都要计算到满足:
Mt≥Mr+Mb
其中:
Mt=扭距之和
Mr=负载扭距
Mb=加速扭距
图3驱动装置联接
负载扭距Mr和加速扭距Mb必须按照摆动过程中力的传递方向（水平，垂直）分别计算。
装甲车水门驱动力已从设计要求得知，即最大扭矩是：
611.520Nm，力是：
24460.8N。
鉴此，我摘取了HKS集团产品中的DA-H50（技术数据见表），产品结构见图5。
表1DA-H50型摆动液压油缸技术数据
项目
单位
数据
最大额定转矩
Nm
700
最大额定转矩（带控制轴）
Nm
658
单位压力的额定扭矩
N²/m
3.3
最大额定压力
N/m²
440
最大径向负载
N
2976
最大轴向负载
N
1000
排量（立方米）
90º/180º/270º/360º/
0.066/0.123/0.198/0.264
重量（Kg）
90º/180º/270º/360º/
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