（机械电子工程专业论文）飞机牵引车转向系统研究.pdf

摘要 飞机牵引车是用于牵引或顶推飞机的作业车辆，是现代机场必不可少的一种地面保 障设备。牵引车转向性能的好坏是影响飞机牵引车工作效率的关键。本文对飞机牵引车 转向系统进行了研究，主要工作如下： 收集整理了飞机牵引车转向系统的文献资料。通过对机械、液压式、电子液压和电 子式四种转向系统的分析与研究，结合飞机牵引车作业特点与转向功能要求，提出了两 种电子液压式转向系统方案：方案一采用四个电液比例阀控制四个转向液压油缸：方案 二采用流量比例阀控制两组转向执行机构；经过对比分析选定了其中一种转向系统方 案；确定了该方案的液压系统参数；分析了飞机牵引车转向系统阀控缸模型、转向液压 油缸与车轮之间转向梯形模型，通过两个子模型推导出转向系统中流量与车轮转角之间 的关系，建立了飞机牵引车转向系统运动学模型；应用m s c e a s y 5 软件对电子液压式 飞机牵引车转向系统进行了仿真，仿真结果表明该系统能满足飞机牵引车转向作业要 求。 关键词：飞机牵引车；电子液压式转向系统；四轮转向；m s c e a s y 5 a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st os t u d yt h es t e e r i n gs y s t e mo fa i r p l a n et r a c t o r a i r p l a n et r a c t o r , m a i n l yu t i l i z e dt op u l lo rd r a wp l a n e s ，i sa ni n d i s p e n s a b l eg r o u n ds e c u r i t y d e v i c ei nm o d e ma i r p o r t ，w h o s er u n n i n ge f f i c i e n c yi sm a i n l yc o n t i n g e n tu p o ni t ss t e e r i n g s y s t e m m a j o rc o n t r i b u t i o n sa r el i s t e di nt h ef o l l o w i n g ： i tc o l l e c t sr e l a t i v ed a t aa b o u tt h es t e e r i n gs y s t e mo fa i r p l a n et r a c t o r i ta n a l y z e sf o u r k i n d so fs t e e r i n gs y s t e m s ，t h a ti s ，m e c h a n i c a ls t e e r i n gs y s t e m ，h y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e m ， e l e c t r o n i c s - h y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e m ，a n d e l e c t r o n i c s s t e e r i n gs y s t e m m o r e o v e r , c o m b i n i n gt h ef e a t u r e so fa i r p l a n et r a c t o rw i t ht h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so fi t ss t e e r i n g s y s t e m ，i tp r e s e n t st w oe l e c t r o n i c s - h y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e m s ：o n ei s t o e m p l o yf o u r e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v e st oc o n t r o lf o u rh y d r a u l i cc y l i n d e r s ；t h eo t h e ri st ou s e f l o wp r o p o r t i o n a lv a l v et oc o n t r o lt h et w os e t so fi m p l e m e n t i n gp a r t s a c c o r d i n gt ot h e r e s u l to ft h ea n a l y s i s ，o n eo ft h es t e e r i n gs y s t e m si s c h o s e n h e n c e ，p a r a m e t e r so ft h e h y d r a u l i cs y s t e mi nt h i ss t e e r i n gs y s t e mg e td e t e r m i n e d ；t h ev a l v e c o n t r o l l e dc y l i n d e r m o d e lo fa i r p l a n et r a c t o r ss t e e r i n gs y s t e ma n dt h es t e e r i n gt r a p e z i u mm o d e lb e t w e e nt h e s t e e r i n gh y d r a u l i cr a ma n dt h ew h e e la r ea n a l y z e d ；b a s e do nt h er e l a t i o n s h i pc o n n e c t i o n b e t w e e nt h ef l u xi nt h es t e e r i n gs y s t e ma n dt h ew h e e lr o t a t i o na n g l ed e d u c e dt h r o u g ht w o s u b m o d e l s ，t h ek i n e m a t i c sm o d e lo fa i r p l a n et r a c t o r ss t e e r i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e d ；w i t h t h ea p p l i c a t i o no ft h em s c e a s y 5s o f t w a r e ，t h ee l e c t r o n i c s h y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e mo f a i r p l a n et r a c t o ri ss i m u l a t e d a n dr e s u l to ft h es i m u l a t i o np r o v e st h a tt h es y s t e mc a l lm e e t t h er u n n i n gr e q u i r e m e n t so ft h es t e e r i n gs y s t e mo f a i r p l a n et r a c t o r k e yw o r d s - a i r p l a n et r a c t o r , e l e c t r o n i c s h y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e m ，f o u r - w h e e ls t e e r i n g ， m s c e a s y 5 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：矧、爻丹l ? 年多月岁e t 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： - 4 、支内吖 导师签名： 伽譬年6 月；日 少碍年衫月；日 长安大学硕上学位论文 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百 t 匕 飞机牵引车是用于牵引或顶推飞机的作业车辆，是现代机场必不可少的一种地面保 障设备。利用飞机牵引车移动飞机，能够节省飞机燃料、减少噪声和排气污染、降低飞 机发动机的磨耗。 飞机牵引车在作业过程中始终与处于运动状态的飞机联接，这是飞机牵引车与其它 车辆的最大区别，也是决定其技术研究方向的关键。 1 1 1 飞机牵引车分类 按牵引飞机方式的不同，飞机牵引车可分为传统牵引车( 即有杆牵引车) 和无杆牵 引车两种。传统牵引车通过牵引杆与飞机相联，牵引杆独立于飞机和牵引车。近期发展 起来的无杆牵引车取消了牵引杆，利用自身带有的夹持提升装置直接与飞机相联。图1 1 所示为飞机牵引车的几种基本类型和作业时的工作状态。 传统飞机牵引车【2 】( 如图1 1 a 所示) 的驾驶室设于前后桥之间，车身较高；后来研 制出驾驶室前置或在前后各设一个驾驶室的“低剖面牵引车”( 如图1 1 b 、c 所示) ，能更 为接近飞机前起落架，缩短牵引杆和牵引车一飞机整体机组的长度。有杆牵型引车与无 杆型牵引车相比具有以下优点1 3 】： 1 由于自身没有用于操作飞机轮的夹持提升装置，所以，整机无论是结构还是控制 及驱动都相对简单，生产成本较低： 2 不直接与飞机接触，不必考虑与飞机连接装置的适应性问题，只要牵引力合适， 有相应的牵引杆，就可以牵引飞机； 3 由于有高度相对不受限制及自身质量可较大的优势，为其它保障设备与己集成为 一体、扩展自身保障范围提供了便利条件； 4 不但能够牵引飞机，还可以牵引其它设备，运送人员、器具，方便实现一车多用。 无杆式牵引车取消了牵引杆，代之以用夹持提升装置把飞机前起落架“驮载”在车身 上的方式与飞机连接( 如图1 1 d 所示) 。除进一步提高了机组的运转灵活性以外，无杆 牵引方式还有可利用飞机前轮的加载来提高牵引车驱动轮附着力等优点。 第一章绪论 霹图l 建到i 鸯浏 霍匡 圈1 1 飞机牵引车几种基本类型和作业状态 有杆型牵引车出现较早，保有量较大。无杆牵引车的出现，打破了传统牵引车一统 天下的局面，加上近年来发展迅速。使得传统牵引车受到很大冲击。有杆型牵引车必须 更加完善，充分挖掘已有及潜在的特色和优势来回应无杆牵引车的冲击，这势必又会进 一步促进传统牵引车的发展。 11 2 飞机牵引车的作业特点 飞机牵引车是在地面以牵引或顶推的方式移动飞机的特种车辆，它不仅要能产生足 够大牵引力，而且起步、加速和减速、制动又都必须平稳柔和，不允许有过太的冲击力 作用到被牵引的价值昂贵、结构却相对脆弱的飞机上。飞机牵引车还应具有尽可能低的 车身、尽可能好的低速稳定性和尽可能小的转弯半径，以便安全地与飞机对接和控制飞 机精确就位。图1 2 所示飞机牵引车工作状态； 图1 2 飞机牵引车工作状态 长安大学硕士学位论文 对于不同工况，要采用不同的转向方式，如前轮转向、全轮转向等，以提高不同情 况下的转向机动性能，减少轮胎的磨损量和侧滑量。如：当需要把飞机牵引到登机桥处 时，为使飞机牵引车能自由出人，要尽量减小其转弯半径，这时须采用全轮转向方式。 受地面附着系数限制，有杆牵引车的最大挂钩牵引力与其自重之比( 牵引系数) 为 0 4 5 0 7 8 ( 两轮驱动为较小值者) ；无杆牵引车由于有飞机前轮的加载，牵引系数可达 0 8 1 6 。受技术和安全法规的制约，飞机牵引车的最高空驶速度速一般为2 5 3 5k m h ( 民用) 和2 5 5 0 k r n h ( 军用) ；额定作业速度5 1 5k m h ( 无杆牵引车可达3 0k m h ) ； 最低稳定速度应不大于l k m h t 2 1 。 1 1 - 3 飞机牵引车转向系统的特点 传统四轮车辆一般由方向盘控制两个前轮进行转向，前轮转向由机械的刚性连接来 实现，存在着转向半径大，无法在狭小空间实现转向要求的缺点。飞机牵引车要求低速 稳定性和尽可能小的转弯半径，所以采用四轮转向系统，即四个车轮都可以转向，用以 提高车辆的转向机动灵活性。 四轮转向系统优点1 4 l ： 1 转向操作的响应加快，准确性提高； 2 转向操作的机动灵活性和行驶稳定性提高； 3 抗侧向干扰的稳定性效果好； 四轮转向系统的缺点与技术难点f 4 】： 1 低速转向时，车辆尾部容易碰到障碍物： 2 实现理想控制的技术难度大； 3 转向系统结构复杂、成本高； 4 转向过程中，阿克曼定理难以保证。 飞机牵引车要根据不同的工况选择三种转向方式前轮转向、全轮转向和蟹形转向。 对这几种转向行驶方式，需要在转向完成后对四个车轮进行对中处理，以便车辆可以进 行下一个工作状态。 1 2 国内外飞机牵引车转向系统发展与现状 飞机牵引车的发展受着飞机牵引车转向系统的制约。早期的飞机移动都是借用其 他车辆代行牵引车职能，代用车辆是从人力到专业飞机牵引车的一种过渡，从技术和 安全层面看，它具有一定的局限性；同时随着飞机的越来越大，其弱点就更加突出。 3 第一章绪论 飞机牵引车由代用车辆发展到专用车辆是一种必然，专用车辆既能保证专业作业水准， 又能提高作业效率而且可以提高牵引车对飞机的适应能力，更进一步满足飞机牵引的 需求。 目前德、法、英、美等欧美发达国家的产品，代表着当今世界飞机牵引车的先进 水平。目前国外飞机牵引车企业的产品有d o u g l a st b l 6 0 0 型牵引车、g o l d h o f e r a s t - 1 x 6 8 0 无杆牵引车、t l d t p x - 5 0 0 m t s 牵引车、s c h o p f 3 9 6 飞机牵引车等。目前 国内北京、深圳、威海、青岛、济南、无锡、沈阳等地的数家企业可以生产多种型号 的传统牵引车，产品主要以中小型为主。世界上最大的飞机是空客a 3 8 0 ，因此用于牵 引该飞机的牵引车也代表了当代飞机牵引车的水平( 如图1 3 所示) 。 图1 3 空客a 3 8 0 飞机晕b i 车 飞机牵引车转向系统作为牵引车重要的组成部分，对牵引车性能有着十分重要的影 响。牵引车转向系统并非孤立地发展，它要受相关基础工业发展的影响，其设计和生产 与当时相关行业的发展密切相关。 早期飞机牵引车，它的转向系统与当时的普通车辆并无多大区别a 主要是采用机械 式前轮转向系统，随着技术的进步、设计理念的怠新，出现了机械式四轮转向系统并开 始应用到飞机牵引车上。机械式四轮转向系统通过机械结构实现后轮的偏转，存在着其 偏转角度不大等缺点。无法满足人们对飞机牵引车同益增长的要求。 随着液压、电子技术的发展，出现了电子一液压式四轮转向系统。电子一液压式转 向系统的传动系统通过柔性管道联接，使得结构布局灵活方便特别适用于飞机牵引车 所强调的车身低矮、轴距短的要求。目前国内外飞机牵引车转向系统一般多采用电子液 压式转向系统。电子液压式转向系统的优点：很高的转向压力只需要较小的转向液压缸； 辅助阀的低压可以降低系统的噪声；当泵失效时可以实现手动紧急制动；降低车辆的侧 偏加速度；微控制器可以实现无转向漂流，可变转向比，自动转向以r c a n 总线接口 长安大学硕士学位论文 等。 近几年随着现代电子技术、电机技术的飞速发展和应用，为了进一步提高飞机牵引 车转向系统性能，开发了电子式转向系统。该系统主要由车速传感器、前、后轮转角传 感器、车身横摆角速度传感器、电控单元( e c u ) 和步进电机组成。电子式转向系统不 存在漏油污染问题，铺设导线也比液压管道更为方便，但受电机的比功率、电池寿命等 因素的影响，电子式转向系统目前还只用于中小型牵引车。 1 3 论文主要研究内容 1 收集整理飞机牵引车的文献资料，对飞机牵引车的特点、工作形式和牵引车转 向系统进行分析； 2 确定飞机牵引车转向系统方案； 3 完成转向系统主要元件的选型与参数计算； 4 建立飞机牵引车转向系统运动学模型； 5 利用e a s y 5 软件及对系统模型进行动态仿真，并对仿真结果进行分析。 6 提出进一步需要研究解决的问题。 5 第二章飞机牵引车转向系统研究 第二章飞机牵引车转向系统研究 由于受机场工作环境的影响，飞机牵引车必须既能前顶飞机，又可以后拖飞机。在 这两种工况下，飞机牵引车的工作机构部位不同，就要采用不同的转向方式，以提高不 同情况下的转向机动性能，减少轮胎的磨损量和侧滑量。本章针对飞机牵引车转向系统 的功能要求，提出了两种转向系统方案并进行了分析。 2 1 飞机牵引车转向技术概述 2 1 1 飞机牵引车转向系统工作特性 直向行驶车辆的转向是车辆的质心点绕改变前进方向的转向中心的公转和绕质心点 的自转合成的。当车辆转向盘的转角和车速都确定时，两轮转向( 2 w s ) 车辆的行驶状 态是单一的，而四轮转向( 4 w s ) 车辆的行驶状态会随着后轮与前轮之间角度的不同或 相同而变得多种多样。 1 低速转向特性 车辆在低速旋转时，行进方向与轮胎方向基本可视为一致，各车轮上几乎不会产生 旋转向心力。四轮行进方向的垂直线交于一点，车辆以该点为中心( 转向中心) 旋转。 图2 1 所示为车辆低速转向时的行驶轨迹。四轮转向车辆后轮逆向转向，转向中心靠 近车辆，也就是说转向半径相对较小。低速旋转时，四轮转向车辆的转向半径更小，小 转弯性能更好，内轮差也小。 n 2 1 四轮转向系统低速转向特性【5 1 2 中高速行驶时转向特性 若前轮转向，前轮胎产生滑动角，并产生旋转向心力，车身开始自转。车身偏向轮 产生侧偏角，后轮也产生旋转向心力，四轮分担自转与公转力，并取得平衡进行旋转。 由于车速愈高离心力愈大，与其平衡的旋转向心力也不得不增大，必须给予前轮更大的 6 长安大学硕士学位论文 滑动角以产生更大的旋转向心力。同时后轮也产生相应的滑动角，车身产生更大的自转 运动。因此，车速越高，车身自转运动越不稳定，也越容易引起车辆旋转或侧滑。 理想的高速旋转运动应使车身方向与车辆行进方向尽量一致，以抑制多余的自转运 动，使前后轮产生充分的旋转向心力。在四轮转向车中，通过对后轮的同向转向操纵， 使后轮也产生侧偏角，使它与前轮的旋转向心力平衡以抑制自转运动，从而使车身方向 与车辆行进方向一致，获得稳定的旋转。 2 1 2 飞机牵引车转向系统分类 现代飞机牵引车的转向系统普遍采用四轮转向系统。因此要研究飞机牵引车的转向 系统就必须要了解四轮转向系统。 按照四轮转向系统中控制和驱动后轮转向机构的不同方式可分为机械式、液压式、 电子液压式及电子式等几种类型。 1 机械式四轮转向系统【1 1 1 机械式四轮转向系统的结构如图2 2 所示。在机械直联式四轮转向系统中，采用了两 个转向器，分别用于前、后轮偏转，两个转向器之间有- i 习w j 轴连接。系统的核心是双曲 轴，该轴从前转向器延伸到后转向器，最后端为一偏心轴。装配在偏心轴上的偏置销与 装配在行星齿轮上的第二偏置销相接合。行星齿轮和内齿圈相啮合。内齿圈固定于转向 器壳体上。这样，行星齿轮可以转动，内齿圈却不能动，行星齿轮上的偏心销插在滑块 上的一个孔中，滑块与行程杆连成一体。 图2 2 后轮伺服器壳体中行星齿轮结构 1 输入偏心轴2 内齿圈3 行星齿轮4 滑块5 导向器6 输出杆7 、8 销 转向盘转动1 2 0 。时，行星齿轮转动，带动滑块和输出杆沿前轮偏转方向移动。后轮 7 第二章飞机牵引车转向系统研究 相应偏转大约1 5 0 - 1 0 0 。进一步转动转向盘，使其转角超过1 2 0 0 ，由于双曲轴作用( 两 个偏心销) 和行星齿轮的转动，后轮开始回正。继续转动方向盘，转角大约为2 3 0 0 时， 后轮处于中性位置。再转方向盘将使后轮朝前轮偏转的反向偏转。后轮可能达到的最大 反向偏转角大约为5 3 0 。 由于前、后轮转向系机械相联，显然，偏转前轮检查其主销后倾角时，后轮也要偏 转。在进行车轮定位检查时，为防止偏转前轮而引起汽车斜向一边，就必须将四个车轮 全部放置在可转动滑板或全浮式滑板上进行定位。 2 液压式四轮转向系统 液压技术的发展为飞机牵引车提供了另外一种更为合适的传动技术，由变量液压 泵、液压马达和控制系统构成的液压传动装置较之液力传动来说具有更宽的无级调速范 围、更好的动力制动特性、更优越的过载保护和连续变换输出转向的能力，这提高了液 压传动在牵引车行业使用的程度。 如图2 3 所示为液压操纵式四轮转向系统，在这一系统中后轮的偏转方向与前轮始终 相同，且它们的转角不大于1 5 0 。系统没有采用电子传感器和计算机控制模块。 装在后半车架上的一个双作用油缸偏转车轮。该油缸的油液来自后转向泵，后转向 泵由差速器驱动。只有在前轮转向时，后转向泵才工作。 8 长安大学硕士学位论文 1 图2 3 液压式四轮转向系统简图 1 油箱2 前转向泵3 前转向动力缸4 转向盘5 后转向动力缸 6 后转向泵7 后转向活塞8 后转向臂9 控制阀1 0 前转向臂 转动转向盘时前轮转向泵将高压油液送入前齿轮齿条机构中的旋转阀中，再导入 前转向动力缸内，前轮便朝相应方向偏转。油液压力随同转向盘转动状况而改变，转向 盘转速越高、转角越大，油液压力就越高。 控制阀的供油压力与上述油液压力相同。控制阀壳体内有一滑阀，滑阀移动时，来 自后转向泵的油液流经滑阀进入后转向动力缸而起作用。滑阀上作用的油压越高，滑阀 移动得就越快，滑阀的行程越大，推动后轮偏转的压力油流量就越大。 3 电子液压四轮转向系统 一些四轮转向系统将计算机电子控制和液压结合起来，形成一个对转向角和车速都 敏感的转向控制系统。该系统如图2 4 所示。组成包括：两个泵、一个油箱、电磁阀、转 向角度传感器、电子控制单元( e c u ) 、截流阀、车速传感器及动力缸。 9 第二章飞机牵引车转向系统研究 图2 4 电子液压式四轮转向系统简图 1 泵2 油箱3 螺线管4 转向盘转角传感器s 车速传感器 6 控制单元7 动力缸8 安全阀9 动力转向电磁线圈 在这种系统中，速度传感器和转向盘角度传感器向e c u 提供信号，e c u 对接收到的 信号进行处理后，向液压系统发出偏转后轮的指令。 e c u 不仅要感知车速，还要感知转向盘转动的角度和角速度。对这三个参数，车速、 转向盘转角和转速进行分析处理后，使后轮始终保持期望的偏转角。中速行驶时，车辆 后轮先朝与前轮反向的方问偏转，然后通过中间位置，再与前轮同方向偏转。 4 电子式四轮转向系统 电子式四轮转向系统主要由车速传感器、前后轮转角传感器、车身横摆角速度传感 器、电控单元( e c u ) 和步进电机组成。该系统如图2 5 所示。 3 1 d 图2 5 电子式四轮转向系统1 6 l 1 前轮转角传感器2 前轮转向机构3 前轮4 方向盘5 车速传感器6 横摆角速度传感器 1 0 长安大学硕士学位论文 7 电控单元8 步进电机9 减速器l o 后轮1 1 后轮转向机构1 2 后轮转角传感器 系统中前轮与普通的转向机构相同，为机械式转向机构，而后轮则由步进电机驱动 助力转向执行机构来转向。转向时，传感器将前轮转向的信号和车辆运动的信号送入 e c u ，e c u 根据预定的控制策略进行分析计算，向步进电动机发送控制命令，步进电动机 动作，通过后轮转向机构控制驱动后轮偏转同时，e c u 进行实时监视车辆状况，计算目 标转向角与后轮实际转向角之间的差值，来实时调整后轮的转角。这样可以根据车辆的 实际运动状态，实现车辆的四轮转向。 系统设有两种转向模式，既可进入四轮转向状态，也可保持传统的两轮转向状态， 驾驶员可通过驾驶室内的转向模式开关进行选择，当车辆在四轮转向状态行驶过程中电 子控制系统出现故障，后轮自动回到中间位置，车辆自动进入前轮转向状态，保证车辆 像普通前轮转向车辆一样安全地行驶。同时仪表板上的“四轮转向”指示灯亮，警告驾驶 员同时故障情况被存储在e c u 中，以便于维修时检码。 所有的四轮转向系统都有安全保障功能。例如，电子液压控制系统工作时，系统会自 动排除电子控制和液压系统中可能出现的失效诱因。万一发生失效，全轮转向系统就转 换为常规的两轮转向方式。如果液压系统故障使油压水平降低( 由运动失效或传动皮带 损坏引起) ，则后轮转向机构自动锁定在中间位置，同时进行故障报警。 当发生电气故障时，应当用装在四轮转向控制单元中的自诊断线路进行检查。控制单元 激发电磁阀，使液压力抵消，从而将四轮转向系统变为两轮转向系统。 2 2 飞机牵引车转向系统传动方式选择 随着液压传动技术日益普及，新一代的液压元件作为转向系统的重要组成元件也有 了新的突破。由于液压传动通过柔性管道联接，使得结构布局灵活方便，特别适用于飞 机牵引车所强调的车身低矮、轴距短的要求。其与微电子技术结合，可以最大限度的提 高功能利用效率，另外大部分特种车辆由于自身结构复杂和一些基本的技术指标的要 求，经常采用全液压转向系统。 电传动不存在漏油污染问题，铺设导线也比管道更为方便，但受电机的功率、蓄电 池寿命等因素的影响，目前还只用于中小型牵引车。所以，国内外市场上的飞机牵引车 转向系统基本都是选用电子一液压式四轮转向系统。 第二章飞机牵引车转向系统研究 2 3 飞机牵引车转向系统方案研究 飞机牵引车工作环境良好且行使速度不高，车轮负载变化不大。对于飞机牵引车的 转向系统来说，要求跟随精度高，响应速度快，并有一定的稳定性储备和较好的抗干扰 能力。 为了满足上述要求，本论文提出了两套飞机牵引车转向系统方案，均采用电子液压 复合式结构，即机电液系统来实现飞机牵引车转向系统。 转向系统主要由控制器、转向液压缸、电液比例换向阀、传感器、同步阀、液压泵 及溢流阀等组成，两套方案的其传动结构分别如图2 6 和图2 7 所示。 2 3 1 飞机牵引车转向系统方案( 一) 飞机牵引车转向系统方案( 一) 组成如图2 6 所示。方案( 一) 主要由泵、电液比例 换向阀、转向液压油缸、传感器及控制器等几部分组成。 1 2 长安大学硕士学位论文 图2 6 匕机牵引车转向系统方案( 一) 飞机牵引车转向系统方案( 一) 原理如图2 7 所示，说明如下：溢流阀设定系统的 供油压力( 基本可以保证在工作状态下，保持泵的出口压力恒定) 。当方向盘发出转向 指令后经过电位传感器向控制器输入电压信号，控制器经过计算、分析，向电液比例换 向阀组施加电信号，电信号控制经过放大控制比例阀的开口，同时泵经溢流阀向系统提 供恒压油流，通过电液比例换向阀组来控制流入转向液压缸的流量与阀的开口成正比， 从而控制转向液压油缸活塞杆的伸长量，间接达到控制各个转向轮的偏转角度的目的。 为了提高控制精度，四个转向轮上均装有非接触式霍尔效应传感器，并通过传感器 把各轮的实际转角反馈给控制器，控制器再经过计算、分析，重新发出指令信号，纠正 希望转角与实际转角的偏差这样，整个系统形成闭环回路，满足了高精度的要求。 1 3 第二章飞机牵引车转向系统研究 右前轮转向液压缸 电液比例换向阀电液比例换向阀 右后轮转向液压缸 图2 7 飞机牵引车转向系统方案( 一) 液压原理图 2 3 2 飞机牵引车转向系统方案( 二) 黯 镱 迎 援 g 辑 峰 幅 懿 锋 啦 援 g 辑 妪 描 缸 飞机牵引车转向系统方案( 二) 组成如图2 8 所示。方案( 二) 主要由流量比例控 制阀、前、后轮执行机构、传感器及控制器等几部分组成。 1 4 长安大学硕士学位论文 图2 8 飞机牵引车转向系统方案( 二) 飞机牵引车转向系统方案( 二) 原理图如图2 9 所示。方案( 二) 的原理与方案( 一) 相似，采用一个电液比例换向阀通过同步阀( 分流集流阀) 控制一对转向液压油缸。 1 5 第二章飞机牵引车转向系统研究 图2 9 飞机牵引车转向系统方案( 二) 液压原理图 上述两个方案中，方案( ) 每个车轮可以独立转向，由四个电液比例换向阀直接 控制四个转向液压油缸。控制精度高、响应速度快。方案( - - ) 中，同步阀和一对转向 液压油缸组成前、后轮转向执行机构，通过两个流量比例控制阀控制前、后轮转向执行 机构实现车轮转向，前、后轮转向机构用同步阀来实现两个转向液压油缸的同步。 同步阀用于多个液压执行元件驱动同一负载，而又要求各执行元件同步的场合。一 般用于执行元件工作特性一致或工作特性相差不大的元件，例如双向液压马达，双向液 压马达在正转和反转时工作特性相差不大。本文使用的转向执行机构采用单活塞杆转 向液压油缸，单活塞杆转向液压油缸有杆腔和无杆腔的面积不相等，因此单活塞杆双作 用油缸在伸出和缩进时工作特性不一致。方案二同步阀首先在两个转向液压油缸之间分 配流量，确保转向液压油缸在静态时同步，当牵引车在运动过程中转向时，车轮负载会 发生变化且同步阀响应速度比较慢，执行机构动态性能不理想。因此飞机牵引车转向系 统采用方案( 一) 较为合适。 1 6 长安大学硕士学位论文 2 4 飞机牵引车车轮运动学关系 轮式车辆转向时外侧车轮所经过的路程长，左右车轮轮胎载荷、气压不等或者磨损 不均，使得左右车轮滚动半径不相等，所以要求左右车轮要以不同的角速度旋转。同时， 为了减少转向时的功率消耗、轮胎磨损和地面阻力，要求轮式车辆转向时要尽可能的保 证车轮在地面只有滚动，而不产生滑动( 包括侧滑、纵向滑移和滑转) 。 轮式车辆转向必须满足的转向条件包括：转向时，通过各个车轮几何轴线的垂直平 面都应交于同一直线上，这样就能防止各车轮在转向时产生侧滑现象；转向时，两侧车 轮应以不同的角速度旋转，以避免转向时驱动轮产生纵向滑移或者横向滑转【1 2 】。 1 前轮转向 图2 1 0 前轮转向示意图 如图2 1 0 所示：0 点就是该车辆的转向轴线或转向中心。从转向轴线o 到车辆的纵向 对称面的距离为r ，称为车辆转弯半径。如图中所示，轮式车辆转向时内外导向轮对于 车辆本身是不相等的，即卿b ，这两个角的对应关系如式( 2 1 ) ： =tm+n，=in(2-1)ctgb c t g a = 一2 了 _ 式中：m 一两侧主销中心距离o i 一前后轮距。 由上式可以得出当内轮转为o c 时，外轮转角6 = a r c c t g ( c t g a + 与 2 四轮转向 对于前后轮同时偏转时如图2 1 1 所示： 1 7 第二章飞机牵引车转向系统研究 m1 图2 1 1四轮转向不恿图 如果前桥主销之间距离舰等于后轮两主销之间的距离尬时，f l p m = m = m 2 。则有： 嘲一吼= 等 c 鸱一c 留口：= i m 2 堕堕：生 ( 2 2 ) c 留口2上1 式中：m 、必两侧主销中心距离； 三1 、三r 前后轮到转向中心线的轴向距离。 当前、后桥两主销之间的距离m 不相等时，& - - l ：= l 2 时。要满足通过各个车轮几 何轴线的垂直平面都应相交于同一条直线上，则 哪：唧铲( 半) 协3 ， 由上式可得：蚴与施的差值越大，a 。与a ：也越大。而当转向轮偏角较大时，前后 轮的瞬时转向中心就不会重合，其差值随着m 与尬差值的增大而增大，使机械在转向 半径较小时，转向轮产生一定的滑移。因此应尽量减小必与尬的差值，最好相等。在 此选择二者相等，由此可得： q = 口2 = 口，b l = a r c c t g ( c + t 2 m ) ，轨= 6 2 ( 2 4 ) 3 蟹行转向 对于前后轮同相转向如图2 1 2 所示： 1 8 长安人学硕士学位论文 ，三。j 彳p ，一、土巴y 图2 1 2 斜行转向示意图 车轮应满足下列关系 a l = a 2 = a ，b l = b 2 = a ( 2 - 5 ) 在此种情况下，轮胎的磨损严重。因此这种转向形式是不常用的。 综上所述，各种转向模式下，各车轮转角之间关系如下表1 所示( 输入角为口0 表2 1 三种转向模式下各车轮转角之间满足的运动学关系 口l 白a 2b 2 ( 左前轮)( 右前轮)( 左后轮)( 右后轮) 前轮转向 伍 口r c c t g ( c t g 口+ 争 0o 毒 四轮转向伍 口r c c t g ( c t g 口+ t 2 m ) 0 【 口r c c t g ( c t g 口+ 半 蟹行转向伍 0 【o t0 【 2 5 本章小结 1 概述了飞机牵引车几种转向形式，确定飞机牵引车采用电子液压式转向方式； 2 提出两种电子液压式转向系统方案，给出了液压原理图，分析后确定转向系统方案 一较优； 3 分析了飞机牵引车转向系统在各种转向模式下车轮运动学关系。 1 9 第三章飞机牵引车转向系统参数研究 第三章飞机牵引车转向系统参数研究 飞机牵引车转向系统中主要液压元件是转向液压油缸、电液比例换向阀和液压泵。 合理选择主要液压元件参数、确定系统供油压力对提高飞机牵引车转向系统工作效率有 着重要的实际意义。本章主要是确定飞机牵引车转向系统参数，为后面的转向系统模型 仿真提供数据。 3 1 飞机牵引车转向系统分析 转向液压油缸是将液压能转换为机械能的一种执行元件，主要用于实现往复直线或 者往复摆动运动。转向液压油缸按照其结构形式，可以分为活塞缸、柱塞缸和摆动缸。 活塞缸和柱塞缸用来实现往复运动，输出力和速度；摆动缸用来实现小于3 6 0 度的往复 运动，输出扭矩和角速度。由于转向系统的技术要求和底盘空间的限制，在此转向液压 油缸采用单活塞杆式转向液压油缸。 计算飞机牵引车转向液压油缸参数，首先要确定飞机牵引车受力情况和飞机牵引车 转向系统中转向梯形参数。 3 1 1 飞机牵引车受力分析【1 2 1 车辆在行驶中的受力如图3 1 所示。图中x ，y 为车体坐标；x ，y 为路面坐标；上 面为车体俯视图；左下角为车体侧面；右下角为车轮路面对轮胎的横向力厮和昂，纵 向力是巧和露，垂直方向的力是巧和易。这里下标和，分别代指前后轮。 列写车体的动力学方程： f 旺c o s e r r f 叮s i n o f 七 汀c o s o r f 口s i n o ，= n 蚺p 七v ) 一f 叮c o s o f f 盯s i n o r f y rc o s d r r f ”s i n o r = r e ( v , + z ) t 3 1 、) l f q 哇c o s d r f f 呼s i n c r 0 一l r 瞳盯c o s o t f 。s i n o 1 = l ， 式中： m 一车身质量； 圪、l 一车身沿毛y 轴速度 ，一车身旋转角速度 仃，、盯，一前后轮转角仃，、q 一刖后张转用 上，、一车身质点到前后轮的距离 ，一转动惯量 2 0 长安大学硕士学位论文 x m b 图3 1i s 机牵引车车体受力分析 当车辆在原地转向时，其系统质心不动；故圪和以及，均为0 ，此时系统可简化 为一单自由度的模型。动力学方程为： 厶鲁= 喜w e ) ( 3 - 2 ) 即： 以= m l m 2 ( 3 3 ) 式中：以转动惯量 五转角加速度 m ，转向力矩 帆。摩阻力矩 2 1 、夕 第三章飞机牵引车转向系统参数研究 3 1 2 最大摩擦阻力矩计算【1 5 】 摩阻转矩可用塔布莱克的简化公式来计算。单个车轮绕轮胎接地面中心o ，偏转时 的摩阻转矩，如图3 2 所示。具有充气轮胎的车轮在轮压力z 的作用下，轮胎与地面之 间的接触面积a 如图中阴影线所示。当轮胎绕接地面积a 的中心o 偏转时，地面给轮 胎接触面一个与其偏转方向相反的摩阻力矩m 。，其大小相当于接地每单元面积a 上 的摩阻力对o 点距离乘积的总和。但由于接触面各单元上摩阻力的分布规律受很多因素 影响，很难用一定的公式表达。 h n - vv z u 叨勿| k 7 ， 眨夕 f 、 图3 2 轮胎接触地面简图 塔布莱克假定轮胎与地面的接触面积为以轮胎宽度b 为直径的圆面积，并假定以作 用在当量半径k 出的集中摩阻力z 缸，对接地面中心o 点的阻力矩作为计算摩阻转矩， 即 m 。l = 2 胚 ( 3 4 ) 式中：乙一轮压( n ) 轮胎与地面的摩阻系数( 附着系数) k - 轮胎宽度当量半径( m m ) k z ：生 彳 铲等 ( 3 - 5 ) 么：壁 4 9 2 长安大学硕士学位论文 式中：极。陨性矩 卜轮胎宽度( m m ) 因此可得： = 私俘 ( 3 - 6 ) 模型受力是时刻受地面对轮胎的垂直支持力影响的，而支持力又由车身的纵向加速 度而决定。由于车身做原地转向，故列写垂直方向的力学方程可得： 乃= 鲁 只，一型一( 3 - 7 ) 乃= 旦l i + l , 式中：聊车身质量 乃、巴前、后轮支持力 0 、车身质点到前、后轮的距离 3 1 3 车体转向力矩计算【1 3 1 o a 图3 3 转向支架简化图 车体的转向力矩指转向液压缸作用力相对于铰接点o 的力矩。转向缸作用力相对于 o 点的力臂随转向角口的变化而变化，故铰接转向力矩是转向角口的函数。转向过程中， 车轮离开直线行驶方向的转向称之为转向( 而车轮向恢复直线方向的转向为回正) 。 如图3 2 所示，左前轮转向并且转向角为口时，转向缸处于彳口的位置。下面研究 第三章飞机牵引车转向系统参数研究 转向液压油缸爿口做转向时的转向力矩m ， m l = f m o 式中：卜转向缸推力。 因为a m o d f a n a d f ，所以有： d 0m o ：= = = = = ：= ：= = a d f a n 令d f 0 = ，a o = l ，则有： 一a n = 三s i n ( a + o ) ( 3 8 ) m o ：l r s i n ( a + 0 )( 3 9 ) a d i 将式( 3 - 8 ) 代入式( 3 - 9 ) 得： m ：! ：墨：墅竺鱼( 3 1 0 ) a d f 根据余弦定理，转向缸铰接点长度为： a d l = r + ，2 2 l r c o s ( g + p ) ( 3 1 1 ) 将式( 3 1 1 ) 代入式( 3 1 0 ) 中，得： m ：下兰墅丝坠 ( 3 1 2 ) 1 三2 + ，2 2 l r c o s ( a ：+ 0 ) 综上所述，车辆在原地转向时左前轮的动力学方程为： 蹦：兰墅坚坠一上堑风犀 ( 3 - 1 3 ) 止一面再亏2 吉r 蒜c o s ( 口一手专l 、一8 。” r + ，2 一 工 + p ) 三，+ ，。v 故反馈力为： f = 卜再m g l 一, 罔譬一俘 3 1 4 转向系统极限转向角的确定 车轮原地转向时的示意图及简化图如图3 4 所示。由余弦定理可知： 2 4 长安大学硕士学位论文 根据上式可转化为： i 、。瑚。 、0 71i 图3 4 车轮原地转向示意图及简化图1 6 】 趔= o a 2 + 卿一2 伽o d ic o s ( a + 0 ) ( 3 1 5 ) + 】，) 2 = l 2 + ，2 2 l r c o s ( a + 0 ) 式中：y 平衡点处缸体的长度 】厂缸的伸缩长度 口车轮转角； o d ( r 卜缸体与转向支架铰接点到转向中心轴的距离 a o ( l 卜缸体与车架支架铰接点到转向中心轴的距离 y 、o d ( r ) 和a o ( l ) 满足y 2 = r 一，2 ： 秒= a r c s i n 三平衡点时o d 和a o 之间的夹角。 展开得： c 。s ( 口+ 秒) = 垦生掣 进一步可得： 。一 。( 】，2 + y 2 ) 一r 一，2 口= a r c c o s 二= _ 二一一 2 三， 根据上述四式可以得到机构限制的车轮极限转角： 2 5 ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) 第三章飞机牵引车转向系统参数研究 图3 5 车轮极限转角状态 当转向液压油缸达到最大铰接点长度时，此时车轮转角达到正的最大角。由图3 5 可 知，i j j ：1 l e f o d i 上o d ，又因为o d i = o d ；所以z o d i d = 4 5 。 由正弦定理可得： o a o d , 一= - - - - - - - - - 一 s i n4 5 。s i nz o d f d 所以有： ( 3 1 9 ) 咖么o d i d = a r c s i n ( 譬 最大转角为： 口= 1 3 5 。一目一删n ( 半三) 当转角液压缸达到最小铰接点长度时，车轮转角达到负的最大角，即最小转角。由 图3 5 可知，此时最小转角为： a 曲= 一a r c s 戤三) 综上所述：飞机牵引车转向系统转向角范围口一。o f 口旆。 3 2 转向液压缸的参数计算 根据有关资料和工程实践确定飞机牵引车参数。转向液压油缸工作压力：1 2 m p a 整车质量：2 0 0 0 0 k g ：外形尺寸：6 3 2 0 m m ，宽：2 5 9 0 m m ；最小转弯半径( 内外) ：4 9 8 0 7 5 8 0 m m ；车身质心到前、后轮距离：lr = 1 0 0 0 m m ，l ，= 1 7 0 0 m m ；摩擦系数：= 0 8 ； 轮胎宽度：b = 3 0 0 m m ；转向时间：t = 2 s 。 由上述数值可得：0 = 7 2 。将数