李中泽 李敏敏 王 瑞

（济南萨博特种汽车有限公司，山东济南，250200）

0 引言

中重型车辆由于自身尺寸较长，转弯半径大，受道路宽度限制，在狭窄路面无法随时调头，需要寻找宽阔的路面或合适的路口进行调头。应急救援车辆在救援现场难以在杂乱的场地上快速调头，不利于快速开展救援作业；军用车辆难以在战场等复杂环境下的路面上快速调头，严重影响官兵及时高效地完成作战任务。因此，中重型车辆急需一种自动化的车载车辆原地调头装置，解决车辆在狭窄路面原地掉头的难题。

1 现状

1.1 民用车辆

目前，民用中重型车辆的原地调头装置中，国外某公司研制了矿用铰接自卸车辆快速调头机构。该机构在后桥前设计2 个调头用的轮子，轮子由液压缸控制，行驶时可以收在腹下，调头时可以放下并将后轮顶起。该轮子轴线与后桥成90°角，不需要其它机构传动。需要调头时，司机旋转方向盘左转，汽车左转，汽车前后部轴线夹角到极限位置时，立即操纵液压机构，使2 个调头轮子着地，可将汽车后桥顶起并使后轮离开地面。司机旋转方向盘右转，汽车后部在2 个转向液压缸作用下，绕着铰接点作圆弧运动。汽车后部旋转到极限位置时，立即收起调头轮子，司机只需按上述调头步骤操作2次，就可以完成调头过程[1]。该车辆原地调头装置只限于铰接车辆，无法应用于其他中重型车辆原地调头。

1.2 军用车辆

军用中重型车辆有一种比较简单高效的原地掉头方式。当车辆需要调头时，车上人员下车，官兵取下车辆配备的机械千斤顶和枕木，在车辆底部整车重心位置支撑车辆，然后，2 名官兵从车辆前部和后部分别抓紧车辆进行控制，通过自身重力和举升力调节整车状态，使所有车轮离地，保持车辆相对地面平行。2 名高官兵在保持车辆状态的同时，推动车辆旋转进行车辆原地调头，车辆旋转至预期方向时，操作机械千斤顶降落，取回机械千斤顶和枕木，完成车辆原地调头作业，如图1 所示。但是，这种车辆原地掉头方式也存在一些缺点，自动化程度低，至少需要2 名官兵同时操作，且机械千斤顶支撑面小，车辆升起后不稳定，需人工调节，存在安全隐患，不能应用于整备质量较大的重型车辆，有一定的局限性。

图1 军用中重型车辆原地掉头展示

2 需求分析

中重型车辆的原地调头装置进行调头作业时环境多样，需要充分考虑各种情况下存在的难题。并且，中重型车辆结构复杂，原地调头装置的设计需要不影车辆性能。在装置的设计过程中需要考虑以下几点需求：

(1)作业环境存在坑洼等路面不平整的情况，设计时需尽量减少原地调头装置作业时与地面接触面，提高装置的环境适应性。

(2)车辆在安装原地调头装置后不能影响车辆的正常行驶，并且避免与传动轴干涉，在装置结构设计时采用支撑油缸、调节油缸偏移设计和折叠伸缩结构，解决与传动轴位置干涉，保证整车的通过角。

(3)受货物装载情况、油液加注情况等影响，中重型车辆存在重心位置不稳定的情况，设计时需要考虑重心的位置变化，确保重心位置在支撑面内，提高装置的可靠性。

(4)中重型车辆在倾斜路面调头时，车辆旋转过程必须随时调整姿态，防止车辆旋转过程与地面干涉，需要增加姿态调整功能，使车辆旋转在过程中能够始终平行于地面。

(5)整个作业过程需要实时监控车辆状态，及时采集数据，装置在设计过程中加装传感器和中央处理器，中央处理器将传感器采集的车辆状态数据进行计算，转化为控制信号传递到各工作元件，能够及时调整动作或停止作业，保证车辆安全。

(6)车载原地调头装置整体采用自动化设计，同时设有手动模式，满足车辆调头的需求，具有高效安全，操作简单的特点。

3 车载车辆原地调头装置的设计

3.1 组成

车载原地调头装置由支撑油缸、调节油缸、液压泵、液压马达、电动机、油箱、底座、吊耳、陀螺仪、中央处理器、控制器、液压阀、管线路等组成，如图2 所示。

图2 车载车辆原地调头装置外观图

3.2 结构设计

该车载车辆原地调头装置的支撑油缸和调节油缸通过2 对吊耳安装在底盘大梁之间中心线右侧的位置，避免与传动轴干涉。调节油缸与支撑油缸通过吊耳连接，用于控制支撑油缸的收放和车辆角度的调节。支撑油缸下端安装位置偏移的底座，使底座的中心设置在车辆的重心处，具有平衡和支撑作用。液压马达安装在支撑油缸上，通过齿轮使支撑油缸相对底座转动，从而达到车辆旋转调头的目的。电动机、油箱、陀螺仪、中央处理器、控制器集成后安装在副车架右侧的下部，便于操作人员操作。该装置设有自动和遥控手动模式，可随地根据情况切换至遥控手动模式进行控制。

车辆行驶时，原地调头装置收缩于车架下部。需要原地掉头时，操作人员观察车辆所在环境的地形，初步判断是否满足调头条件，确定车辆需旋转的角度。然后，操作控制器上水平设置的标有角度的旋转操控按钮，将按钮旋转至最终角度方向，此时钮旋将指令传递给中央处理器，中央处理器采集陀螺仪测量的车辆前后和左右倾斜角度，根据车辆前后和左右倾斜角度判定该位置是否满足调头条件，确定满足调头条件后，中央处理器根据前后倾角参数，利用控制算法进行计算，通过信号放大器将控制信号传输至换向电磁阀，通过对换向电磁阀控制，实现油缸伸缩及液压马达的控制。

3.2.1 车辆举升

车载车辆原地调头装置作业时，首先调节油缸伸张，在调节油缸的推动下支撑油缸围绕吊耳旋转达到竖直状态，然后支撑油缸伸张至地面，将车辆顶起离地，车辆举升的过程中央处理器实时采集倾角传感器测量的车辆前后和左右倾斜角度，确保车辆安全。如举升过程中由于支撑油缸底座不平稳导致倾角不满足举升条件，作业立即停止，支撑油缸收缩，调整位置后再次举升。

3.2.2 车辆旋转

车辆举升至合适的离地高度后支撑油缸状态固定，控制器设定的旋转角度由中央处理器计算后，将相应信号传递给换向电磁阀，驱动固定在支撑油缸壁上的液压马达旋转。液压马达通过齿轮轴连接支撑油缸伸缩杆上的底座，驱动支撑油缸壁相对底座旋转，使车辆旋转至设定的方向。

3.2.3 状态调整

旋转过程中，陀螺仪将监测信号传递给中央处理器，中央处理器通过信号放大器将控制信号传输至换向电磁阀，实现调节油缸伸缩的实时控制，持续调整车辆前后角度，使车辆达到相对地面平行状态，保证车辆在有一定倾斜度路面也能够正常旋转。

3.2.4 车辆降落

车辆完成旋转后支撑油缸收缩，车辆降落到地面，然后调节油缸收缩，将支撑油缸收缩于车架下部与车架平行，原地调头装置完成作业，达到回收状态，车辆完成原地调头。

3.3 液压系统原理

液压系统的电动机与液压泵连接，液压泵向液压系统提供高压液压油，将油箱的液压油传递到各路换向电磁阀，中央处理器操控各路换向电磁阀将液压油分配到调节油缸、支撑油缸和液压马达等各个液压工作元件，即可完成所需的各种作业动作，如图3 所示。液压系统设有溢流阀，能够保证系统安全。

图3 车载车辆原地调头装置液压系统组成及工作原理图

车载车辆原地调头装置开始原地调头作业时，控制器将指令传递给中央处理器，中央处理器传递信号启动电动机，电动机带动液压马达旋转，将液压油从油箱中抽出，经过过滤器过滤后进入液压泵，液压泵将液压油输出，经过单向阀后，到达各路换向电磁阀，通过操控各路换向电磁阀，将油液分配到调节油缸、支撑油缸和液压马达等各个液压工作元件，以完成调头作业所需要的各种动作。

3.3.1 车辆举升

中央处理器将电信号传递给调节油缸油路的换向电磁阀，使换向换向电磁阀从中位切换至左位。液压油经过换向电磁阀到达平衡阀，然后抵达调节油缸，使调节油缸伸张，推动支撑油缸沿耳轴向下旋转至竖直方向，中央处理器控制换向电磁阀至中位，调节油缸停止运动。然后，中央处理器控制支撑油缸向换向电磁阀从中位切换至左位，液压油经过换向电磁阀到达平衡阀，然后抵达支撑油缸，支撑油缸伸张，将车辆顶起至合适的离地高度后，中央处理器控制换向电磁阀至中位，支撑油缸停止运动，车辆完成举升作业。

3.3.2 车辆旋转

车辆完成举升作业后开始进行旋转调头作业，进行顺针旋转作业时，中央处理器将电信号传递给液压马达油路的换向电磁阀，使换向电磁阀在左位，液压马达顺时针旋转。车辆进行逆时针旋转作业时，中央处理器将电信号传递给换向电磁阀，使换向阀在右位，液压马达逆时针旋转。车辆到达指定位置，停止旋转时，中央处理器将电信号传递给换向电磁阀，使换向阀切换到中位，液压马达关闭，车辆停止旋转。

3.3.3 状态调整

车辆旋转过程中，中央处理器根据车辆调头前的前后倾斜角度，计算旋转角度与车辆前后倾斜角度的关系，根据倾角传感器的实时数据，将信号传递到控制调节油缸的换向电磁阀，通过换向电磁阀切换左、中、右3 个位置，调节支撑油缸的伸缩，改变车辆前后倾斜角，确保车辆在旋转过程始终与地面平行。

3.3.4 车辆降落

车辆旋转至指定角度后，中央处理器将调节油缸油路换向电磁阀和支撑油缸油路换向电磁阀切换至右位，液压油分别通过换向电磁阀进入调节油缸油路和支撑油缸油路，支撑油缸首先开始收缩动作，车辆降落至地面，支撑油缸完成收缩后，调节油缸油路的顺序阀打开，调节油缸收缩，到达指定位置时限位阀开启，油路关闭，完成车辆原地调头作业。

4 应用前景

该车载车辆原地调头装置采用电气控制和液压传动的形式，解决了中重型车辆由于自身长度原因，难以在狭窄路面或复杂环境下调头的问题。该装置可广泛应用于民用车辆的在狭窄路面调头，应急救援车辆事故现场，军用车辆在战场复杂路面原地调头。能够实现民用车辆的降本增效，应急救援车辆快速开展救援作业。军用车辆在战场及时高效地完成作战任务。

5 结束语

随着我国经济发展，重中型汽车发挥着越来越重要的作用，越来越多的新技术应用于中重型车辆，持续提升了中重型车辆的性能和功能，不断解决车辆在实际应用中的难题，满足当前中重型车辆发展的新需求。该车载车辆原地调头装置提供了一种新的车辆原地调头方式，具有高效安全，操作简单的特点，可有效提高车辆的机动性能，为驾驶人员在狭窄路面或复杂环境下可靠高效的完成任务打下了良好的基础。