车载雷达传动装置设计

车载雷达传动装置设计
基本参数与要求:
♦雷达直径中3m,重约60KG。

♦雷达具有展开和收藏功能，展开或收藏时间小于1.5min。

♦雷达展开状态能实现正反方位搜索旋转，转速为6r/min,定位精度为0.5。

♦抗风能力：10级风能正常工作，12级风可生存。

♦车内允许空间为：（长X宽X高）800X700X500o
♦车外工作温度：±40℃,贮藏温度：±60℃
一绪论
1.1引言
雷达作为一种可以主动地、全天候探测远距离目标的探测器,是获取目标信息的重要装备,在国防建设和国民经济发展中起着重要作用,在近年来发生的几次大型局部战争中,雷达在以信息化为特点的高科技战争中的重要作用得到了充分显示。

固定式雷达线系统的覆盖空间是固定和有限的,只能对事先确定好的空域有效,不能灵活机动,而且需要进行基站建设,投资大。

而车载雷达系统可以移动，车载雷达天线系统可以随时开到需要的前沿上，而且由于机动性好可以迅速转移,战场生存率比固定站高得多,且不需要进行基站建设,具有机动灵活、投资小等优点,因而目前在军用、民用等领域应用得到了广泛应用。

1.2车载雷达简介
1.2.1车载雷达的发展现状
雷达技术首先应用于军用，随着全世界对道路交通安全、汽车安全技术的不断重视，雷达技术开始转为民用，主要用于交通的管制、雷达测速以及汽车主动安全技术方面。

国外对车载雷达的研究开始比较早，在以德国、美国、日本、法国等为代表的主要西方发达国家内展开。

随着汽车电子技术、嵌入式技术以及信号处理技术的发展，推动了车载雷达的研制与应用，世界各国掀起了研发车载雷达的热潮。

车载毫米波雷达的研究始于20世纪60年代。

典型代表是德国ADC公司生产的ASR100毫米波雷达采用脉冲测距方式。

戴姆勒奔驰、日产、福特等汽车公司广泛开发的汽车主动避撞系统以及自适应巡航系统多采用该款雷达。

日本丰田公司与Denso公司、三菱公司合作开发的电子扫描式毫米波雷达，采用调频连续波测距方式，结构紧凑、抗干扰性能好。

它是世界上第一款采用先进的相控阵技术的车载雷达。

与机械扫描雷达相比，相控阵雷达的天线无需转动，波束扫描更加灵活，对目标识别的性能优异。

止匕外，日本NEC、本田、村田制作所，德国VD0、宝马、博世（Bosch），美国德尔福、福特以及瑞典沃尔沃等公司都竞相研制和生产车用雷达。

目前，世界上采用车用雷达的汽车产品还不多，车用雷达仅局限于在一些高档豪华轿车上应
用。

如，奔驰s系列、美洲虎XKR系列、尼桑的Q45\Fx45系列、凌志330和430系列、奥迪A8系列，以及卡迪拉克的某些选配车型。

1.2.2传动装置的研究现状
车载雷达传动系统主要实现雷达的自动架撤和方位转动功能。

因而目前对于车载雷达传动系统的研究主要集中在自动架撤系统和方位转动系统两个方面。

雷达的自动架撤系统经过多年的发展,其组成形式已基本固定,一般由抗倾覆支臂、调平系统、天线折叠和锁紧机构、升降机构、执行驱动系统和相应的控制系统组成。

夏勇等对高机动雷达自动架撤系统的组成、功能及其一般设计要求进行了叙述,并重点介绍了仿生式支臂、调平撑腿等具体结构及伺服控制系统的电气设计。

对于雷达自动架撤系统的研究主要集中在自动架撤机构的具体实现及控制算法上。

抗倾覆支臂主要功能是支撑载车平台,提高雷达系统的抗风能力和稳定性。

按其结构形式基本分为仿生蛙腿式、剪刀式、门式三种。

其中,仿生蛙腿式由于其结构形式新颖、机构简单可靠、收缩后尺寸小等优点,因而成为目前应用最广的抗倾覆支臂形式之一。

调平系统主要是实现载车平台的水平精度要求,其结构件一般与载车平台直接连接或通过抗倾覆支臂连接到载车平台上,利用油虹或丝杆的轴向运动实现载车平台的精度要求。

其机构形式经过多年的发展,己基本趋于成熟,分为油赶型和电机（马达）驱动滚珠（或梯形）丝杆两种基本形式。

对于调平系统的研究主要集中在调平机构研究、调平算法或策略研究等方面。

天线折叠与锁紧机构主要实现大型天线阵面的自动拼装与锁紧,实现高机动性雷达天线阵面工作状态与运输状态之间的切换。

目前对于天线折叠与锁紧机构的研究主要集中在不同天线结构下机构的具体实现方式上及利用仿真技术手段对折叠和锁紧机构的载荷及可靠性进行分析等方面。

通常情况下,展收机构一般分为90度展收机构和180度展收机构;锁紧机构一般可以分为锁销式、凸轮机构式等。

升降机构目的是实现天线相位中心物理高度的提升,以减小近距离遮蔽。

典型的应用主要有直线升降和天线倒竖举升两种。

直线升降机构根据其结构形式一般分为桅柱式升降机构和剪叉式升降机构。

桅柱式升降机构雷达高架结构技术之一,与其它结构型式的升降塔相比,具有结构紧凑、动作时间少、架设高度高、易于实
现大行程的优点,根据主要结构件截面形式的不同,可以分为圆形、矩形和多边形
跪柱升降机构。

天线倒竖举升机构则主要利用油虹（或丝杆）、连杆机构的运动,驱动天线绕旋转轴的转动,从而达到达到提高天线相位中心的目的。

对于升降机构的研究重点主要集中在机构的运动原理设计、机构的力学性能仿真分析及具体的工程设计等几个方面。

方位转动系统主要由转台、方位回转轴承、方位驱动装置和底座组成,实现负载天线的稳态、匀速转动。

方位系统的设计主要是合理选择（设计）方位回转轴承和方位驱动装置,设计转台及底座,在满足结构尺寸和重量要求的前提下,提高系统动静态刚度,以确保轴系精度。

对方位转动系统的研究主要集中在转台和底座结构设计及优化、结构动静态性能的仿真分析方面。

1.2.3车载雷达的分类
车载雷达可以分为以下几类：
1）测速雷达。

可以测量车轮的转速来测量出汽车速度。

2）障碍物探测雷达。

这种雷达可在无能见度或能见度很差的情况下观察地形，向司机报警从而防止事故。

3）自适应巡航控制雷达。

传统的巡航控制能保持一个固定的速度，但不考虑车辆周围的环境，所以在车流量大的情况下，由于车辆要不时地开进和驶离行车道，传统的巡航控制就很不适应了。

自适应巡航控制，顾名思义，能够适应车辆周围的环境，并根据本车与前车的速度与前车保持一个安全速度
4）防撞雷达。

此类雷达能根据车辆当前的方向和速度测量到在车辆前方路上可能引起碰撞的危险障碍物，因此它适用于大气能见度低的情况以及实际判断力不理想（车距太短、速度太高）的情况。

它的目的是警告驾驶员要打开气囊或其他制动设备，控制汽车的速度。

5）其他车辆监督和控制雷达。

很多其他车辆控制功能，比如车辆识别、定位、车队监督、车站调度、导航、选择行车路线，都可以在雷达的帮助下实现。

此类雷达可以放在车上，也可以放在地面上，车辆装载着雷达信标或反射器，并可编码进行车辆识别。

还可以设想具有特殊目的的其他机动车雷达，比如控制有轨车辆
或游乐场里的游乐车的雷达。

二设计原理
根据设计要求，该车载雷达传动装置设计主要包括车载雷达升降装置的技术
设计、锁紧机构研究与设计、天线阵面倒竖机构研究与设计、方位转动机构设计、车载雷达电液自动调平系统设计等五个方面的设计。

车载雷达升降装置的技术设计是通过机电液压传动控制相关理论，设计了一种基于机电液一体化的升降装置。

升降机构目的是实现天线相位中心物理高度的提升,以减小近距离遮蔽。

调平系统主要是实现载车平台的水平精度要求,其结构件一般与载车平台直接连接或通过抗倾覆支臂连接到载车平台上,利用油虹或丝杆的轴向运动实现载车平台的精度要求。

方位转动系统主要由转台、方位回转轴承、方位驱动装置和底座组成,实现负载天线的稳态、匀速转动。

方位系统的设计主要是合理选择（设计）方位回转轴承和方位驱动装置,设计转台及底座,在满足结构尺寸和重量要求的前提下,提高系统动静态刚度,以确保轴系精度。

对方位转动系统的研究主要集中在转台和底座结构设计及优化、结构动静态性能的仿真分析方面。

三车载雷达电液自动调平系统设计
3.1引言
车载雷达在到达预定位置后,要求能快速架设精确的水平基准。

高水平度的稳定平台,对于雷达天线平稳运转、精确探测飞行目标位置以及提高目标图像清晰度有重要影响。

以往国内雷达天线座车主要采用手动调整螺杆或液压千斤顶,通过目测气泡水平仪,由多人反复操作调节各螺杆支腿达到水平,这种方法调节时间长、水平精度低,操作难度大,且需要多人配合操作。

近年来,车载雷达座车的调平采用了自动调平系统,其中主要有机电调平系统和电液调平系统,大大缩短了调平的时间,提高了调平的精度,只需要启动电源即可完成全部架设与调平。

3.2调平方案设计
3.2.1调平系统设计
调平系统主要由检测机构、执行机构和控制系统三部分组成,具体包括双轴水平传感器、阀控液压缸和可编程控制器PLC。

(1)检测装置为角度检测器,用来检测平台左右及前后的不平度。

其检测值的大小是系统判断是否进行调平的依据,其检测精度的高低直接决定了系统的最终调平精度。

(2)调平执行机构采用4个带有自锁功能的液压支腿，将其对称布置在雷达座车的两侧，由相应的电液伺服阀控制,通过支腿的上下伸缩,实现雷达座车的调平。

(3)控制系统是自动调平系统的核心组成部分,常见的有计算机控制和可编程控制两种形式。

由于载车上计算机不便放置而PLC 具有高可靠性和接口简易型,这里选用PLC 作控制器,通过软件编程控制调平机构动作,实现车载系统的自动调平。

自动调平系统控制原理如图3.1所示。

[jgj 酎唱出组卜叱?女^液压缸1 士 ・懵国瓜埔人模块,「水一传感端-
图3.1电液自动调平系统方框图
3.2.2水平度误差分析
图3.2是4点式承载平台示意图,采用4个垂直液压缸来支撑平台。

图3.2平台支撑示意图
水平传感器沿X 、Y 方向布置,X 、Y 两个方向的水平倾角为A 和B,两传感器 给
定
水
平
精
度
1ml 达座
隼
一
间的夹角为C,则平台的倾斜角度H 可由A 和B 合成为:
9Ja 2+p 2+2a x B x cos y
sin y
如果两个方向的控制精度为土6，则调平后平台的水平误差为:
9=,笃6J +cosysiny
从上式可以得出，控制精度6给定，当一90o 时，即两传感器垂直布置,平台 的水平误差9有最小值,此时:9=v'26。

也就是说,两边的水平控制精度应为整个。

例如:要求整个平台的倾斜度为2’,则控制时两个方 向的控制精度应该为%.''2’o
3.2.3 调平方法
调节一个平面到水平状态的调节过程可以有单向调节和多点调节两种方案。

若采用多点调节,即各点都同时运动,调整到一个预定点,其特点是速度快,但会出现相互干涉耦合现象且算法复杂。

这里采用单向调节的方案即先将X 轴方向调平,再将Y 轴方向调平。

虽然调节时间稍长但协调性好。

调平过程中调节的实际上是4点的相对高度,为了避免虚腿的产生,提高系统的调节精度,调节过程采用向最高点看齐的方法（通过水平传感器的检测信号可以找出平台的最高点）,即保持相对最高点不动,把低点调高,这样平台就只有上升运动。

3.2.4 调平流程
在雷达座车的4个支腿全部着地后,控制系统开始进行调平,调平过程如图
3.3所示。

1 平台水平控制精度的工；2
图3.3调平流程图
3.3调平液压系统
3.3.1液压系统工作过程
调平液压系统如图3.4所示。

图3.4调平液压系统图
首先启动液压泵2,同时给电磁换向阀9、14通电，使增压器11右移,产生高压油。

当达到设定压力时，液压缸20（4个）解锁，压力继电器10发出电信号使电磁阀14断电并使换向阀16通电。

这时,泵输出油液经电磁换向阀14、16,打开
单向阀18和液控单向阀17,打开液压锁19,进入4个液压缸20。

此时,阀16左位接入系统,液压缸两腔连通,4个支腿差动快速着地。

4个支腿都着地后,系统压力升高,压力继电器15发出信号,使电磁换向阀16断电,同时,给电液伺服阀13（4个）一个信号,使伺服阀左位接入,4个液压缸同时上升,克服平台重量,带动平台上升。

当平台上升到设定高度时,进入调平程序。

根据水平传感器发出的信号,由PLC 控制使相应的伺服阀产生一定的开口,对应的液压缸便产生相应的位移,直到达到调平精度为止。

当达到调平精度时,伺服阀就回到中位,阀口关闭。

同时,液压锁19关闭,将液压缸进、回油封死,电磁阀9断电,增压器复位,液压缸即被锁定。

此时,泵也停止工作。

调平结束,设备即可进入工作状态。

此后在设备工作中,平台水平度不可避免会产生波动,如果超差,传感器信号报警,启动泵,产生高压解锁,然后启动调平程序,可以实时控制水平度,保障平台的水平精度。

当需要将腿收上时,只要输入收上信号,电液伺服阀反向开启,阀右位接入系统,液压支腿回收。

然后,关闭所有电源即可。

四车载雷达升降装置的技术设计
4.1升降装置功能要求
1）功能性。

即系统能在一定的外界载荷（如风力）的作用下，把规定的重量载荷在短时间内以一定的姿态快速平稳地举升至一定高度并锁定位置，使雷达能够在一定条件下安全可靠地工作。

2）自动化。

即系统采用机电液一体化技术，使架撤过程实现自动化。

这样，一方面减低操作人员的作业强度，另一方面能够可靠地缩短作业时间；3）运输通过性。

由于车身装载空间有限，架高系统必须与雷达其它部分一体化设计，以达到优化空间尺寸、确保各种运输状态的通过能力；4）高比刚度、比强度结构形式。

由于车辆装载能力与设备外形尺寸、重量等因素的矛盾，架高系统还必须对其自身的结构形式和重量进行优化，以达到用最小的自重承受最大的外载荷的目的；
5）高安全性、高可靠性及良好的环境适应性和互换性；
6）美观性。

即要求结构布局合理，各部分比例协调，外形美观。

系统主要性能指标：
7）刚、强度问题。

在设计过程中，要充分利用计算机仿真、CAD辅助设计等现代化手段对天线的受力情况做详细的分析，并对保精度工作状态时的天线阵面进行精度校核，条件允许时可通过适当的实验来评价计算的正确性。

8）抗腐蚀性问题。

在不同的环境条件下，雷达都要具有一定的生命力，不仅在平原地带，山区，包括森林、高原、沙漠，沿海附近，雷达都要能全天候的工作。

9）连接的可靠性。

不能在追求高机动性的同时忽略了单元之间的连接可靠性，单元之间的连接是否可靠是雷达系统能否正常工作的前提，要充分考虑杆件的稳定性和避免局部的应力集中现象。

10）三防设计，即防潮、防振、防腐蚀设计。

特别是沿海一带，盐雾腐蚀较为严重。

这里选用直上直下的结构形式比较合适。

而X杆举升机构结构比较复杂，控制难度也较大；相比之下，筒式升降机构结构简单，控制起来也比较容易，虽然升降装置设计和加工相对比较困难，升降油缸和升降套筒要进行精心设计，还需要有特殊的加工工艺。

但在切实解决了加工工艺难题后，采用液压垂直升降方案，有其明显的优越性
4.2基于机电液一体化的升降装置
1.套筒锁紧装置
1.锁紧套筒
2.活塞杆
图4.1套筒式锁紧装置
液压缸的前端盖上带个锁紧套筒1,它与活塞杆2过盈配合，且此套筒用一定的弹性材料制成，因此可使活塞杆锁紧在任意位置。

当解锁高压油进入套筒后,在压力油作用下，径向膨胀产生间隙，使活塞杆可以移动。

2.刹片式锁紧装置
1.制动刹片
2.蝶形弹簧
3.活塞杆
图4.2刹片式锁紧装置
在液压缸的端盖上带有一制动刹片1,它在碟形弹簧2的作用下被紧紧压在活塞杆3上，依靠摩擦力抵消轴向负载力，从而使活塞杆锁紧在任意位置上，当解锁压力油进入A腔后，在液压力作用下，将制动刹片顶起，使之脱离活塞杆，达到解锁目的。

当油压卸去后，又能自动锁紧。

3.内涨式锁紧缸
1.活塞
2.缸体
图4.3内涨式锁紧缸
活塞1和缸体2之间采用过盈配合产生巨大锁紧力，当工作时，解锁高压油从解锁油口a，经导管内孔b，最终到达活塞与缸体之间，使缸体膨胀，实现解锁。

对比上述的几种机械锁紧装置，刹片式锁紧装置比较适于安装，锁紧效果也
比较好。

4.3液压系统图
图4.4液压系统图
1.过滤器
2.液压泵
3.溢流阀
4.压力计
5.单向阀
6.精过滤器
7.减压阀
8.单向阀9.电磁阀10.压力继电器11.增压器12.单向阀13.电液伺服阀
14.电磁阀15.压力继电器16.电磁阀17.液控单向阀18.单向阀
19.液压锁20.液压缸21.手动换向阀22.手动泵23.过滤器24.单向阀
五锁紧机构研究与设计
5.1锁紧机构功能要求
锁紧机构主要用来实现天线边块折叠/展开后的锁紧及天线运输锁紧，根据结构总体布局要求，本机构要求结构紧凑，能实现可靠锁紧，设计要求在对位u不准，出现5mm对称偏仍能够正常锁紧;所有锁紧机构锁紧安全、可靠，能够承受振动、冲击载荷的设计要求。

5.2典型的锁紧机构
图5.1
图5.2
目前常用的锁紧机构主要为锁销形式，根据结构布局的需要开发了不同的锁紧机构。

图5.1为一种典贺的液压锁销式锁紧机构,利用双作用油缸直接驱动锁销到锁紧构件的锁紧孔内实现锁紧功能,采川微动开关实现锁紧/解锁位置的检测；图5.2为一种典型的凸轮锁紧机构，利用一双作用油缸驱动凸轮绕转轴旋转，从而推动上端盖达到锁紧目的；图5.3为一种被动锁紧机构，主要由基体（包括驱动油虹）、锁钩、卡钩、双扭簧、各关节转动销轴、被锁紧体及状态检测元件等组成其结构组成、锁紧与解锁状示意图5.3;锁紧时被锁体压着锁钩绕销2转动，从而引起卡钩绕销4转动，最终锁钩上的销3陷入卡钩上的凹槽中，实现锁定;解锁过程则正好扣反。

图5.3
5.3锁紧机构设计
在雷达架撤机构的顺序动作过程中，所有动作机构到位后均由锁紧机构可靠锁固,确保架撤动作过程顺畅稳定。

锁紧机构的性能对整个雷达的自动化架撤能力具有决定性作用。

综合考虑锁紧结构的空间位置要求、锁紧的可靠性要求等,在图5.3锁紧机构原理基础上进行了改进设计，在实现锁定原理功能之外，细化了连接支座的设计。

改进后的三维模型如图5.4所示。

图5.4锁紧机构三维示意图
d 构士七
2
锁紧状态 解锁状石
图5.5“T”型榫式夹紧装置
改进后的锁紧机构具以下五个方而的结构特点和应用优势：
⑴系列化,规范化。

主要指根据锁紧机构所锁紧对象受载荷大小的不同，设计出不同承载规格系列的锁紧机构,并统一规范其安装接口形式为“T”型榫式夹紧固定,原理参见图5.4,从而方便雷达不同部位的锁紧需要；
⑵随动性高。

锁紧机构的锁紧是伴随着被锁紧部件运动动作的完成而同时完成的，从而避免了以往插拔类锁紧机构单独进行锁紧动作操作时而额外占用总系统动作时间,减少了整个雷达系统架设或撤收的总动作时间，提高了系统机动怍能和战场存能力；
(3)可靠性高。

锁紧机构的内部结构特点,既保证了其锁紧状态的可靠自锁;又使能保证其解锁状态始终保持稳定,为机构的锁紧动作提供可靠的先期准备。

所以方案中的锁紧机构具有很高的可靠性能，极大的避免了雷达架设和撤收动作中误动作的发生；
⑷结构紧凑,适应性强。

锁紧机构原理简单,其中关键件间的相对运动关系表明了，外形尺寸小巧,可以适宜对雷达不同关节部位的锁紧；
⑸安装方便，降低了系统零部件的加工和装配精度要求。

锁紧机构的基座安装固定是靠并紧螺母实现的,其中“T”型榫式结构允许在安装过程中根据实际需要进行前后调整,安装锁紧机构的过渡基座则可以通过“长腰”型孔在左右方向上调整后与基体螺接，而被锁紧螺杆销一般也设计成可以上下调整的螺杆结构,所以
在对整个锁紧机构系统进行总装过程中，可以从空间三个相互正交的坐标方向进行相对位置调整,从而降低了对整个雷达结构系统的加工精度要求。

5.4锁紧机构的分析
锁紧负载1吨下锁钩、卡钩和基体的应力云图分别如图5.6所示：
1515.7锁钩康力分布云图
图5.6
图6.1天线阵面系统组成示意图 嚼
戏
对
箔 锁紧机构的设计载荷F=9800N,此时锁钩最大应力：
o=155MPa<835MPa （38CrMoAlA 的屈服强度）
卡钩最大应力o=126MPa<835MPa （38CrMoAlA 的屈服强度）
卡钩强度满足；
基体最大应力o=147MPa<835MPa （38CrMoAlA 的屈服强度）
基体强度满足。

从以上锁钩系统的强度分析结果来看,锁锁系统中的主要承载结构件上应力都不是很大,完全满足使用要求。

六天线阵面结构研究与设计
5.1 天线阵面结构设计
6. 1.1天线阵面系统组成
天线阵面系统组成x 波段机载有源相控阵火控雷达的天线阵面包括天线振子、T/R 组件、馈线网络、控制模块、电源传输、信号传输以及阵面框架等，天线阵面的组成如图6.1所示。

除上述独立的功能部件之外，天线阵面还包括必需的冷却系统和内部走线网络。

天线阵面的冷却系统为强迫式液冷散热形式，主要为T/R 组件提供散热功能，由分水静压腔和并联的冷板构成，如图6.2所示。

分水静压腔一般为直通型流道，而冷板内部流道需根据散热功耗、外部流量和流阻特性来确定具体结构形式，常见的有直通型流道、蛇形流道和微通道流道。

内部走线网络是将电连接器、电缆、导线等通过不同程度的优化集成，形成近似模块化的连接部件，使阵面内部的功能模块之间达到有效互联的状态。

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