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机械毕业设计1714装甲车水上转向系统液压摆动油缸及液压系统设计.doc
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机械毕业设计1714装甲车水上转向系统液压摆动油缸及液压系统设计,机械毕业设计论文
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1 2011 届毕业设计（论文） 材 料 系 、 部： 机械工程系 学生姓名： 指导教师： 职 称： 专 业： 机械设计制作及其自动化 班 级： 学 号： nts 2 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 090 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 nts 3 Abstract The thesis discusses the design of amphibious armored vehicles drive device,when is floating in the water.It can save space ,reduce weight when we use Hydraulic oscillating cylinder ,and achieve its good functioning by the use of control systerm.throughout the systerm,the work nature of the Watergate decides the current priorities,it mainly focuses on the rotating direction of the tank ,when is swinging in the operation.through the structure design of swinging tank,it can achieve rotation angle of Hydraulic oscillating cylinder,which is needed.In the structure of tank,I design two leaves and two located blocks， it can assure the leavesrotation in the scope of 0-90 ,and meanwhile the two design leaves are alconducive to swing cylinders inte For the feasibility of the program,we can use a series of calculation,which is proved to be feasible,and there are certain pratical significance too,which can be used for actual productio. Keywords ： Hydraulic oscillating cylinder,drive device,leaves,located block nts 4 目 录 1.绪 论 . 1 1.1 课题的研究背景及发展状况 .1 1.2 两栖装甲车辆概述 .1 1.2.1 两栖装甲车辆的问世及发展概况 .2 1.2.2 两栖装甲车的结构及战技性能 .3 1.2.3 两栖装甲车的未来发展趋势 .5 1.3 水上转向系统概述 .5 1.4 液压摆动油缸概况 .6 1.5 液压系统概叙 .7 1.6 液压系统设计的基本要求： .9 2.系统设计方案 . 10 2.1 摆动液压缸的设计概况 ： .10 2.2 原设计方案相应工作元件的性能特点 ： .10 2.3 设计参数 ： .13 2.4 所设计的摆动液压油缸技术数据 .13 3.油缸的整体设计 . 14 3.1 缸体设计 .14 3.1.1 缸体端部联接结构 . 14 3.1.2 缸体的材料 . 14 3.1.3 缸体的技术要求（附图） . 16 3.1.4 铸造方法： . 17 3.1.5 缸体的外观视图： . 17 3.2 缸盖 .17 3.2.1 缸盖的材料 . 17 3.2.2 缸盖的内外侧外观视图 . 17 3.2.3 缸盖的技术要求（取左端盖设计如图） . 18 3.3 轴与回转叶片 .19 nts 5 3.3.1 设计方案的提出： . 19 3.3.2 设计方案一 . 19 3.3.3 设计方案二 . 21 3.3.4 对两个方案的比较： . 22 3.3.5 方案二叶片轴外观图： . 22 3.3.6 关于液压缸的轴与叶片等计算： . 23 3.4 止挡 .24 3.4.1 材料 . 24 3.4.2 技术要求 ： . 25 3.5 支撑板 .25 3.5.1 材料 : . 25 3.6 螺纹联接 .26 3.7 键联接 .27 3.8 密封的设计与选用原则 .27 3.8.1.基本要求： . 28 3.8.2.影响密封性能的因素 : . 28 3.8.3.密封件的设计选用原则： . 28 3.8.4 密封件的设计选用 . 28 4.叶片轴的加工工艺规程 . 30 4.1 机械加工工艺规程的作用 .30 4.2. 毛坯分析 .30 4.3 定位基准的选择和加工顺序的安排 .30 4.4 工艺过程分析 .31 4.5 加工阶段的划分 .31 4.6 工序顺序的安排及制造工艺过程 .32 5 液压油路设计 . 34 6基于 AVR 单片机系统控制的方法设计 . 35 6.1 控制系统的整体构成 .35 6.2 系统的控制方法概叙 .36 nts 6 6.3 由脉冲信号计算出发动机的 转速 .36 6.3.1 系统控制方案的设计 . 37 6.3.2 数字滤波方法的选择 . 37 6.4 控制芯片的选择和设计 .38 7.系统硬件设计 . 39 7.1 硬件电路的设计 .39 7.1.1 输入电路设计 . 39 7.1.2 输出电路的设计 . 40 7.1.3 单片机外围电路的设计 . 40 7.1.4 电源模块设计 . 40 7.1.5 系统供电、上电复位和 A/D 转换滤波电路的设计 . 41 7.1.6 编程接口电路设计 . 42 7.1.7 其他说明 . 42 7.2 系统硬件可靠性设计 .43 7.2.1 电路与集成芯片去耦 . 43 7.2.2 电路兼容设计 . 43 7.3 电路图 .44 7.4 系统 PCB 版设计采用 .44 7.5 3D 实物图 .45 8. 系统软件的设计 . 46 8.1 系统软件设计的概叙 .46 8.1.1ATmega8 开发平台 . 47 8.1.2 主程序设计 . 47 8.1.3 查询方式读取 ADC 通道模块 . 49 8.1.4 算术平均滤波程序模块设计 . 50 8.1.5 测转速脉冲周期程序模块 . 52 8.1.6 输出程序模块 . 53 参考文献 . 55 结 论 . 56 nts 7 致 谢 . 57 附 录 . 58 计算机源程序清单 #include .58 nts 1 nts 1 1 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 两栖装甲车辆概述 两栖装甲车辆是指在水中具有浮渡能力的一类装甲车辆，与其他装甲车辆的最大区别就在于它具有两栖性能。两栖装甲车辆的种类繁多，根据陆地上行进装置的不同，可分为轮式和履带式两种；根据水上推进装置的不同，分为螺旋桨、喷水推进器、履带或轮胎划水三类；根据作战任务的 不同可分为两栖装甲战斗车辆和两栖装甲保障车辆两类，其中战斗车辆包括：水陆坦克、两栖装甲突击车、两栖装甲步兵战车、两栖装甲输送车、两栖火炮发射车、两栖导弹发射车等；保障车辆包括：两栖装甲指挥车、两栖装甲侦察车、两栖装甲 工程车、两栖装甲抢修车、两栖装甲弹药车、两栖装甲救护车等。大多数两栖装甲车辆都是利用水密车体在水中的排水体积产生的浮力浮于水上，依靠螺旋桨或喷水推进器等装置在水中推进。少数还需依赖制式浮箱 、 浮囊或浮渡围帐产生的附加 浮力才能浮出水面，并借用履带或轮胎等陆上行动装置与水的相互作用产生推力。两栖装 甲车辆是世界上规模较大的各海军陆战队主要装备之一，有些国家的装甲兵和空降兵部队也装备了一定数量的此类装甲车。 nts 2 2 1.2.1 两栖装甲车辆的问世及发展概况 两栖装甲车辆最早出现在英国，比坦克略晚几年。 1918 年 10 月，英国军方使用两侧各挂装一个 “ 驼 ” 式浮箱的 型坦克，在伦敦附近的布伦特水库进行了首次坦克浮渡试验，开创了两栖装甲车辆开发与研制的先河。随后又于 1920 1922 年间，制成了由 D 式中型坦克改装的、靠履带划水推进的第一辆水陆坦克样车，水上航速仅为 2.4 千米 /小时。 30 年代初，苏联推出了只有 2名乘员，战 斗全重 3.2 吨的 T 37 水陆坦克，水上最大航速为 4 千 米小时。随后，苏联又先后研制出装有螺旋桨和防浪板的 T 38 和 T 40 水陆坦克。 一直到二战以前这段时间，两栖装甲车辆的发展总的来说比较缓慢。主要原因在于登陆作战在一战中没有受到应有的重视，也没有得到大规模的应用。一战期间所进行的数十次登陆作战，基本上是小型的、战术规模的登陆，或是侦察破坏性登陆。 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 1 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 76 水陆坦克，随后又利用该坦克底盘研制成功了 -50 两栖装甲输送车。 -76 水陆坦克采用船形装甲钢nts 3 3 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 -76 在编。 1960 年前苏联又开始装备一些 -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 步兵战车系列、 伞兵战车系列、 70和 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nts 4 4 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。 3 步兵战车安装了 100 毫米两用炮， AMX 0PAC90 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 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nts 5 5 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。 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nts 6 6 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
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