从美军重型拖车M1000了解全轮转向技术

爱萨摩 2021-08-22

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引言

上图：汽车前轮转向系统由连杆系统完成车轮转角匹配

上图：祝融号小车的用于安装六个轮子的连杆系统

小专曾有段时间研究过美军重型拖车M1000。M1000的转向传动系统是典型的多连杆机构，选用多连杆机构完成全轮转向功能符合其重载、可靠、机动的军事要求。下面，小专将以M1000为例，通过介绍全轮转向技术让大家对连杆机构的设计建立初步认识。

M1070+M1000的重型运输装备系统HETS

上图：使用M1070+M1000装备系统运输坦克

总体介绍(翻译见段后蓝字):

“The Heavy Equipment Transporter System (HETS) transports tanks and other heavy tracked and wheeled vehicles to and from the battle field. The M1070 tractor and M1000 semi-trailer, replaces the M911/M747 HET system as the Army's latest model HETS. The M1070/M1000 HETS was developed to accommodate the increased weight of the M1 Abrams Family of Main Battle Tanks. The M1070 provides line-haul, local-haul and maintenance evacuation on and off roadduring tactical operations worldwide. Unlike previous HETS, the M1070 is designed to carry both the tank and its crew. ”

重型装备运输系统（HETS）将坦克和其他重型履带式和轮式车辆运送到战场或从战场运出。M1070牵引车和M1000半挂车取代了M911/M747 HET系统，成为（美国）陆军最新型号的HET。M1070/M1000 HETS是为适应Abrams 公司增重的M1系列主战坦克而研制的。M1070可行驶于世界各地并在战术行动中实施公路上和非公路的长途运输、本地运输和维修疏散。与以往的重型装备运输系统不同，M1070的设计可以满足同时搭载坦克和乘员的要求。

“The HETS is required to transport, deploy and evacuate 70-ton payloads, primarily M-1 tanks, on highways and unimproved roads and cross-country. The HETS consists of the M-1070 truck tractor and M-1000 semi-trailer. HETS has automatically steerable axles and load leveling hydraulic suspension. The tractor has front and rear axle steering with central tire inflation system and cab space for five crew members. ”

因为需要在公路、未经平整的道路和越野道路上运输、部署和疏散70吨有效载荷（主要是M-1坦克），重型装备运输系统HETS由此应运而生。HETS由M-1070牵引卡车和M-1000半挂车组成。HETS具有自动（随动）转向轴和负载调平液压悬架。牵引车前轴和后轴同时以同一转向中心转向，并配有中央轮胎充气系统，驾驶室空间可供5名机组人员使用。

-- 以上摘自http://www./trucks/m1070_het.htm

“The trailer used with the M1070A0 and M1070A1 is the M1000. The M1000 was originally developed as a private venture by Southwest Mobile Systems (later Systems & Electronics Inc (SEI), now DRS Technologies) as a response to a possible U.S. Army requirement for transporting M1 and M1A1 MBTs. A production order for 1,066 M1000 units was placed by the U.S. Army in 1989. By July 2009 more than 2600 M1000 trailershad been ordered.”

与M1070A0和M1070A1配合使用的拖车是M1000。M1000最初是由Southwest Mobile Systems (后来的Systems & Electronics Inc (SEI), 现在的DRS Technologies) 为响应美国陆军可能需要运输M1和M1A1 主战坦克作为私企开发的。1989年，美国陆军下了1066辆M1000的生产订单，到2009年7月，已经订购了2600多辆M1000拖车。

-- 以上摘自https://military./wiki/Oshkosh_M1070

M1070+M1000的技术简介

技术介绍(翻译见段后蓝字):

“The layout of the M1070 is conventional. The fully enclosed cab seats the driver, one crewman and up to four passengers. The cab complies with the U.S. Army's Long Term Armor Strategy (LTAS) requirements of an A- and B-kit armoring philosophy. The 356 × 89 × 9.5 mm C-section (channel frame) chassis is constructed from SAE1027 modified, heat-treated carbon manganese steel with a minimum yield strength of 758 MPa. This mounts a 3.5 inch fully floating Holland fifth wheel and three winches, two dp Manufacturing 55K 24,947 kg capacity hydraulic winches with 51.8 m of 25 mm cable each, and a single dp Manufacturing 3GN 1,360 kg capacity auxiliary winch with 91.4 m of 6 mm cable.”

M1070是传统型布局，全封闭驾驶室可容纳司机、一名机组人员和最多四名乘客。驾驶室符合美国陆军LTAS装甲理念的要求。底盘的356×89×9.5 mm C型钢（槽钢框架）由SAE 1027改性热处理碳锰钢制成，最小屈服强度为758MPa。它的第五轴安装了一个3.5英寸的全浮动式挂车铰盘(品牌：Holland)，并配有三个绞车：其中两个是DP 55K的液压绞车(拉力=24947 kg)，配有直径25 mm、长度51.8 m的缆绳；另一个是DP 3GN的辅助绞车(拉力=1360kg的)，配有直径6 mm、长度91.4 m缆绳。

上图：M1000重型拖车

“The M1000 has 40 wheels (215/75R 17.5 tires) across five axle lines, these with two half-width axles per line. Each axle has hydraulic pendular suspension providing a 254 mm stroke with lateral oscillation accommodating surface undulations. A hydraulic suspension system is also provided on the pivoting gooseneck to equalise fifth wheel loads. Weight of the M1000 is 22,882kg. Payload according to the U.S.Army is 63,560kg, although the manufacturer quotes 80,000 kg at reduced speeds. Overall length is 15.8 m, deck length is 10.58m; deck width is 3.05m, 3.66m for a wide deck version.”

M1000有40个车轮（215/75R17.5轮胎），五个轴线，每轴线有两个半宽轴。为适应起伏的地面，所有半宽轴都是可升降的液压悬挂(行程=254mm)，并可横向摆动。液压悬挂系统通过可旋转的鹅颈系统提供了第五轴载荷。M1000的重量是22, 882公斤。根据美陆军的数据，其有效载荷是63560公斤，制造商的宣称在减速时的可达80, 000公斤。其总长是15.8m，板身长度10.58m；板宽为3.05 m，宽版的板宽为3.66 m。

-- 以上摘自https://military./wiki/Oshkosh_M1070

车辆转向理论

根据汽车转向理论，车辆理想的转向条件是其所有车轮的转角均符合阿克曼转角理论，即：所有车轮的法线相交于一点。当车辆转向时，转向系统使每个车轮的转角在转向的全过程中按照理论中的转角值协调，从而每个车轮在转向行驶的过程中处于滚动状态。而当车辆在转向时车轮转角不能满足阿克曼转角值时，车轮与地面之间在转向的过程中存在着严重的摩擦，表现为和侧滑或较大的转弯半径现象。

全轮转向系统的优点

(1)减少轮胎磨损，长期使用更经济

如上，左图的车辆使用了转向技术行驶了135, 000公里后轮胎的磨损状况，右图为车辆未使用转向技术的行驶了35,000公里后轮胎的磨损状况。从两张图片对比看出，使用转向技术车辆的车轮磨损量明显减轻了。据统计，在挂车的运行维护成本中，轮胎的磨损占据了主要部分。虽然使用转向技术的车辆售价相对于普通车辆要高些，但长期使用下来，由于车辆的受力状况良好，维护次数少，轮胎的更换次数少，反而要更为经济些。

(2)减小轴载荷

出于保护公路的目的，交通法规限制公路上允许的轴载荷。在车桥设计过程中，一般每轴载荷的限定重量是13吨。因此，要想实现重型货物，比如坦克、大型变压器的公路运输，就必须增加车轴数量。如果车辆不采用转向技术，则会带来车轮转角不匹配的问题，甚至会引发安全事故。由此可见车辆使用全轮转向技术还是很有意义的。

(3) 减小转弯半径

相对比车轮不具有转向功能半挂车，车轮具有转向功能的半挂车列的在实现转向过程中所需要的道路宽度更小。从阿克曼转角图中可以看出，在车身长度相等的情况下，当最外端车轴的转向角越大时，车辆的转弯半径越小。M1000半挂车的最大转角可达+/-55°，相比一般最大转角在+/-20°~+/-22°之间的随动转向桥来说，M1000的最小转弯半径要相对来说小许多。

全轮转向的技术关键

由上述内容可知，在重载运输中全轮转向系统有其独特的优势。那么如何实现这一目标呢？即让所有的轮子及时、同步、准确、可靠实现阿克曼转角值。有的小伙伴可能会想到通过电控系统调整每个轮子的转角来达到转角的要求。从控制原理上说，行是行，但是成本太高、可靠性太差。这个车是要在沙漠里、丘陵等崎岖路面行驶的，环境恶劣、风吹日晒，电控系统的可靠性设计将是很大的挑战。那还有什么系统可以完成这样的要求呢？答案就是多连杆机构：通过连杆间的运动关系形成满足阿克曼转角的函数关系，从而使所有的轮子满足同步转向的要求。机械机构可靠性远大于电控系统，并且价格便宜，还有一个优点是当某一轴受到较大的转向阻力矩时，整套连杆机构可以将阻力矩同时传递到其它轴上，这对整个转向的稳定性是有益的。