CN113524996A - 一种水陆两栖车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水陆两栖车，具有：车体系统、传动系统、陆上行驶系统、水上航行系统；能够实现水陆两栖，满足陆军登岛作战、边界管控、界江和界河巡察、海外维和处突等特种作战任务对后勤物资可靠、便捷、高效的运输需求。

Description

一种水陆两栖车

技术领域

本发明属于军用车辆技术领域，尤其涉及一种水陆两栖车。

背景技术

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

针对陆军登岛作战、边界管控、界江和界河巡察、海外维和处突等特种作战任务对后勤物资可靠、便捷、高效的运输需求，现有车辆无法满足水陆两栖使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现水陆两栖，满足陆军登岛作战、边界管控、界江和界河巡察、海外维和处突等特种作战任务对后勤物资可靠、便捷、高效的运输需求的水陆两栖车。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种水陆两栖车，具有：

车体系统、传动系统、陆上行驶系统、水上航行系统；

所述车体系统包括：

车架；

车体首部，设置在所述车架的头部；

压浪板机构，设置在所述车架首部下部；

驾驶室，设置在所述车体首部上部；

浮箱，设置在所述车架的两侧；

货仓，设置在所述车架的后部；

所述陆上行驶系统包括：

第一车桥、第二车桥和第三车桥，安装在所述车架上；所述第一车桥、第二车桥和第三车桥上安装有车轮；

履带机构，设置在所述车架上；

所述履带机构具有：

履带支架；

油气弹簧，其第一端与所述车架铰接，油气弹簧的的活塞杆与所述履带支架铰接；

摆臂，其第一端与所述车架铰接，第二端与所述履带支架铰接；

主动轮和张紧轮，分别转动安装在所述履带支架的两端；所述主动轮与车体动力机构连接；

负重轮支架，通过减震器与所述履带支架连接；

负重轮，转动安装在所述负重轮支架上；

履带，缠绕在所述主动轮、张紧轮和负重轮上；

所述水上航行系统包括：

喷水推进器，设置在所述车架的后部；

流道，设置在车架的后部，所述流道呈“U”形，“U”形流道的两端的开口朝向车头；

所述“U”形流道的中部设有进水口，所述喷水推进器与所述进水口连通；

左侧舵叶和右侧舵叶，所述左侧舵叶和右侧舵叶设置在所述“U”形流道的两侧，所述左侧舵叶和右侧舵叶能够打开或关闭左侧和右侧的流路；

排水口，设置在所述“U”形流道的底部，所述排水口朝向车尾；

转向舵叶，设置在所述排水口上，所述转向舵叶能够打开或关闭所述排水口；

所述传动系统包括：

发动机、水陆分动箱、变速器、陆上分动箱、喷水推进器齿轮箱，安装在所述车架上；

所述发动机与所述水陆分动箱连接，所述水陆分动箱与变速器连接，所述变速器陆上分动箱连接，所述陆上分动箱与所述第一车桥、第二车桥和第三车桥连接；

所述水陆分动箱与喷水推进器齿轮箱连接，所述喷水推进器齿轮箱与喷水推进器连接。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果，能够实现水陆两栖，满足陆军登岛作战、边界管控、界江和界河巡察、海外维和处突等特种作战任务对后勤物资可靠、便捷、高效的运输需求。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的水陆两栖车的结构示意图；

图2为图1的水陆两栖车的行驶机构的结构示意图；

图3为图1的水陆两栖车的履带机构的结构示意图；

图4为图1的水陆两栖车的传动机构的结构示意图；

图5为图1的水陆两栖车的转向机构的结构示意图；

图6为图5的转向机构的结构示意图；

图7为工况切换原理图；

图8为上下滩涂原理图；

图9为转向原理图；

图10为转向原理图；

图11为控制系统原理图；

图12为传动原理图；

上述图中的标记均为：1、车架，2、履带机构，21、履带支架，22、油气弹簧，23、摆臂，24、主动轮，25、张紧轮，26、负重轮支架，27、负重轮，28、履带，3、第二车桥,4、第三车桥，5、发动机，6、水陆分动箱，7、变速器，8、陆上分动箱，9、喷泵齿轮箱，10、喷泵，11、车轮，12、第一车桥，13、车体首部，14、压浪板机构，15、驾驶室，16、浮箱，17、货仓。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1-12，一种水陆两栖车，具有：

车体系统、传动系统、陆上行驶系统、水上航行系统；

车体系统包括：

车架；车体首部，设置在车架的头部；压浪板机构，设置在车架首部下部；

驾驶室，设置在车体首部上部；浮箱，设置在车架的两侧；货仓，设置在车架的后部；陆上行驶系统包括：第一车桥、第二车桥和第三车桥，安装在车架上；第一车桥、第二车桥和第三车桥上安装有车轮；履带机构，设置在车架上；

履带机构具有：

履带支架；油气弹簧，其第一端与车架铰接，油气弹簧的的活塞杆与履带支架铰接；摆臂，其第一端与车架铰接，第二端与履带支架铰接；主动轮和张紧轮，分别转动安装在履带支架的两端；主动轮与车体动力机构连接；负重轮支架，通过减震器与履带支架连接；负重轮，转动安装在负重轮支架上；履带，缠绕在主动轮、张紧轮和负重轮上；

水上航行系统包括：

喷水推进器，设置在车架的后部；流道，设置在车架的后部，流道呈“U”形，“U”形流道的两端的开口朝向车头；“U”形流道的中部设有进水口，喷水推进器与进水口连通；左侧舵叶和右侧舵叶，左侧舵叶和右侧舵叶设置在“U”形流道的两侧，左侧舵叶和右侧舵叶能够打开或关闭左侧和右侧的流路；排水口，设置在“U”形流道的底部，排水口朝向车尾；转向舵叶，设置在排水口上，转向舵叶能够打开或关闭排水口；

传动系统包括：

发动机、水陆分动箱、变速器、陆上分动箱、喷水推进器齿轮箱，安装在车架上；发动机与水陆分动箱连接，水陆分动箱与变速器连接，变速器陆上分动箱连接，陆上分动箱与第一车桥、第二车桥和第三车桥连接；水陆分动箱与喷水推进器齿轮箱连接，喷水推进器齿轮箱与喷水推进器连接。

履带机构通过油气弹簧的收缩可实现收放，履带机构收起时车辆以轮式正常行走，实现车辆在结构化路面的行驶；履带机构放下与地面接触时，车辆以轮、履复合行走机构行驶，增大了与地面的接触面积，降低接地比和车轮下陷量，实现车辆的可靠行驶。

悬架为双横臂式悬架，包括上横臂和下横臂，上横臂和下横臂的第一端与车轮铰接，第二端与车架铰接；还包括车轮伸缩油气弹簧，车轮伸缩油气弹簧第一端与车架铰接，第二端与车轮铰接。

还具有陆上转向系统，陆上转向系统具有：循环球转换机，安装在车架上；转向横拉杆，安装在车架上；主动臂，其第一端与循环球转换机铰接，第二端与与转向横拉杆铰接并能驱动转向横拉杆活动；转向节臂，共有两个，分别设置在第一车桥的两侧，两个转向节臂分别与第一车桥的两侧的轮毂铰接；转向边拉杆，共有两个，分别设置在第一车桥的两端，转向边拉杆第一端与转向横拉杆的一端铰接，第二端与转向节臂铰接；从动臂，其第一端与转向横拉杆铰接，第二端与车架铰接。

传动路径为：

1)、发动机→水陆分动箱→变速箱→陆上分动箱→第二车桥→车轮；2)、陆上分动箱→第一车桥→车轮；3)、第二车桥→传动角箱→第三车桥→车轮；4)、水陆分动箱→喷泵齿轮箱→喷泵；5)、水陆分动箱→液压系统→履带。

还包括控制系统，控制系统包括发动机ECU、陆上控制器、水上控制器；发动机ECU控制发动机；陆上控制器控制车轮提升、履带提升机构、换挡机构；水上控制器控制水上制动、水上航线、倒车、转向；操作人员操作水上航线模式和陆上航线模式的切换；操作人员操作分动箱、刹车、油门、驻车、转向、喷泵停机。

控制过程包括：

对于轮履复合驱动车辆，车轮与履带行走机构分别独立驱动，即车轮和履带行走机构的输出转矩、转速都独立控制；因此对车辆进行运动和动力学控制的本质是在感知车轮与地面之间力的作用和传递情况基础上，对车轮和履带的输出转矩和转速进行分布式独立调节，通过履带行走机构和车轮之间输出转矩或转速的差异，使得在满足动力需求基础上产生所需的附着力，由此来改变分布式驱动车辆的运动姿态；此外在特殊工况下，能够通过对车轮和履带行走机构转速进行分布式调节，提高车辆的通过性和地形适应能力；

当使用履带时，整车控制器监测方向盘转角信号，判断整车处于直行工况或转向工况；当判断整车处于直线行驶工况时，整车VCU监测当前驱动轴的转速信号与履带转速信号，当两者速度差大于设定阀值时，整车域控制器通过比例电磁阀开度对履带速度进行调速；当判断整车处于转向工况时：监控方向盘转角达到转向阀值，通过当前车速和方向盘转角，采用阿卡曼转向模型模拟计算出左右履带的目标车速，对左右履带进行车速的独立控制，以满足履带驱动时整车的转向需求；

在控制轮履复合速度匹配过程中，还需要对履带机构进行高度控制，根据地面起伏操纵履带机构升降，避免承受超过规定的轴荷，损坏结构或液压系统；

在轮履复合行驶过程中，实时采集履带压力传感器数据和位移传感器数据；轮履复合控制系统具备标定功能，标定并存储履带压力阈值，履带高位和低位；仅当车速为零时响应整车控制器发送的履带高度调节指令；当履带压力大于标定阈值，停止控制，并反馈履带已触地；当位移传感器达到目标控制值，停止控制，反馈高度调节到位；在行驶过程中，控制系统感知到履带压力大于标定阀值时，控制油气弹簧提升履带机构，减小履带系统承重。

(1)动力系统：主要包括发动机总成、ECU控制系统、动力系统状态监测、冷却、进排气、燃油、润滑及附件等。动力系统的功能是为整车各个分系统提供动力。

(2)传动系统：主要包括水陆分动箱、AT变速箱、陆上分动箱、驱动桥及传动轴等。传动系统的功能是根据实际工况，将发动机的动力传递给相应的行走系统。

(3)陆上行驶系统：主要包括悬架、转向、制动、履带驱动总成等。行驶系统接受发动机传来的转矩，驱动车辆的行驶或停车。

(4)航行系统：主要包括高效喷水推进器、操舵装置、减阻压浪板、自动排水等。航行系统的功能主要是实现海上航行高机动性与安全性。

(5)整车冷却系统：主要包括发动机冷却系统、AT变速箱冷却系统、液压冷却系统、中冷器冷却系统、水陆分动箱、陆上分动箱等。整车冷却系统采用集中散热布局，为整车关重件提供冷却散热，确保关重件正常工作。

(6)液压系统：主要包括液压泵、履带液压马达、散热风扇液压马达、舵操作液压缸、压浪板操纵液压缸等部件。

(7)车体系统：主要包括驾驶室、发动机舱、防腐密件等。车体系统的功能是提供良好的驾驶环境，以及为车辆提供足够的浮力储备。

(8)载货平台：主要包括货仓、随车吊、系固设备等。载货平台的主要功能是为载运物资提供装卸工具、模块化卸货平台以及物资系固设备。

(9)电气系统：主要包括空调、蓄电池、灯光、雨刷、仪表、按钮与开关等设备。电器系统的功能主要是辅助实现车辆的安全、舒适行驶。

(10)控制系统：主要包括整车控制、悬架提升控制、水陆行驶控制、故障诊断等。控制系统的功能主要是实现车辆动力、传动、行驶、辅助系统等设备或部件之间的信号传输、控制与管理。

(11)通信系统：为后期加装相关通信设备预留对应接口和安装位置。

(12)车载附件：主要包括随车工具、备品备件等设备。附件的功能主要是为车辆自救、维修等提供保障。

车体系统

考虑整车运输承载、陆上行驶集中冲击载荷和水上航行时水下均布压力载荷对车体结构强度的不同需求，采用底盘车架加车身体集成化设计，模块化程度高，相对于底盘车改制方案，整备质量轻。非承载式车体设计利于未来两栖装备的改装拓展。

采用铝合金薄板焊接车体，车体与底盘车架集成设计，船体龙骨与车架焊接增强整车刚度和强度。

车架Z方向下沉设计，降低整车重心，提高水上稳性。车体系统包括车体首部、驾驶室、车体浮箱、车体下部，如图1所示。

整车控制系统架构

整车控制系统架构分四层，第一层是操纵员“状态判断与决策输出层”，第二层是按需开启的“自动巡航层”，第三层是水上控制器(W-VCU)与整车控制器(VCU)为主的“主控制器层”，第四层是其它各个控制节点的控制器组成的“子控制器层”。

整车控制架构分四层，第一层是操纵员“状态判断与决策输出层”，包含人机界面和操纵台两大部分。人机综合显示界面包括陆上状态显示、水上状态显示以及综合状态显示等，操纵员通过人机综合显示界面对车姿态及作战意图进行实时判断；操纵台包括工作模式选择、陆上分动箱选择、自动巡航等总体操纵部分，挡位选择、刹车、油门、方向盘、驻车制动等陆上行驶操纵部分，综合操舵等水上航行操纵部分，悬架升降调整、履带升降调整等辅助行驶操纵部分，以及车灯、空调等车电系统操纵部分等，驾驶员通过综合使用操纵台中的操纵部件，在最高层实现正常驾驶与作战应用。

第二层是由驾驶员主动开启或者关闭的自动巡航模块，包含自巡航控制器、激光雷达、摄像头、其它巡航功能模块等。本项目采取的是主动巡航方式，由此加入了雷达、摄像头等路况检测模块，赋予车辆一定的“人工智能”，开启自动巡航功能后，咨自巡航控制器可以调控水上控制器(W-VCU)与整车控制器(VCU)完成必要的主动巡航操作，从而协助驾驶员在复杂路况、以及大雾、雨雪、沙尘、风浪等恶劣天气下的正常驾驶与紧急避障，保证车辆具有更高的安全性，并能帮助驾驶员完成“蚁群式”的车队跟车操作。

第三层是“主控制器层”，包括水上控制器(W-VCU)与整车控制器(VCU)，水上控制器在逻辑上要高于整车控制器。水上控制器包含水上整车控制模块、排水系统控制模块、操舵机构控制模块、前划水板控制模块等功能模块，主要负责两栖车水上行驶时的整车控制；整车控制器包含整车控制模块、履带驱动控制模块、履带提升控制模块、水陆分动箱控制模块等功能模块，主要负责两栖车陆上行驶时的整车控制。当工作模式为陆上行驶模式时，水上控制器不参与控制；当工作模式为水上航行模式时，水上控制器(W-VCU)工作，并获得各个控制节点的最高控制权，能够调配整车控制器(VCU)工作，从而完成水上的航行操作。

第四层是“子控制器层”，包括悬架提升控制器、AT变速箱控制器、发动机控制器ECU、ABS制动控制器、液压系统控制器、冷却系统控制器、车电系统控制器等，主要完成水上控制器与整车控制器下发的相关控制指令，并实时反馈其所控节点的状态信息。

五种工作模式需要固定执行的任务

操纵员根据实际情况通过5档旋钮选择所要执行的工作模式，梳理15种工况具体执行的工作任务，归纳出每种工作模式所需执行的固定任务。

考虑到两栖运输车在抢滩登陆、岸滩通行时对通过能力要求高，初步选取底盘车辆系统构型为“6×6”驱动方案,同时辅以履带驱动增加岸滩通过能力。

参考GJB1380-1992，《军用越野车机动性要求》越野通过性要求，喷水推进器布置布置在第二轴之后，可增大离去角。发动机布置需要布置在第一轴之后，第一轴前布置转向杆系。

考虑到海上航行高速推进以及水陆行走切换，车后部布置双喷水推进器，发动机与AT变速箱之间布置水陆分动箱，传动输出至喷水推进器，此布置方案重量质心集中在整车中部。

考虑水上航行减阻，车辆悬架采用双横臂独立悬架、油气弹簧设计，实现悬架及轮胎提升，减小水上阻力。

参考《沿海小型船舶法定检验技术规则》、《沿海小船入级与建造规范》CCS060-2005要求、考虑两栖运输车海上稳性、耐波性要求，整车大梁下移布置，发动机、水陆分动箱、AT变速箱、陆上分动箱根据船舶质心、浮心要求在整车X方向进行调整布置。

行走系统构型选择

针对两栖车陆上和水陆交界处通行环境，考虑整车承载需求，借鉴军用越野车辆底盘构型，设计本项目两栖车的底盘车桥布置形式为“前一后二”，并设计每个车轮均有驱动能力，即行走系统构型为“6×6”构型。

航行系统主要包括喷水推进和操舵装置。水上正车航行时，由发动传动动力至水陆分动箱，然后分流至后部喷水推进器。水上正车转向，可通过操舵装置控制尾部喷水口舵叶角度进行转向，或单边流道关闭进行转向控制。水上倒车时，控制关闭喷水口舵叶，通过其它流道，改变喷水流向实现倒车；水上倒车转向，通过单边流道关闭实现转向。

在水上行驶时，当前进行驶时，转向舵叶与前进方向平行；当前进右转时，转向舵叶与前进方向呈-35°夹角；当前进左转时，转向舵叶与前进方向呈35°夹角；当倒车时，转向舵叶与前进方向垂直(与前进方向呈负角度为朝向前进方向右侧，与前进方向呈正角度为朝向前进方向左侧)。

设计操舵方式为电控液压操纵，驾驶室设置操纵舵轮，转动舵轮产生电信号驱动舵叶液压缸作动，实现航行转向。

整车转向力学分析：

车辆各车路均通过传动轴传递动力，各轴装有差速器，根据差速器性能，各轴两侧半轴的转矩比取1.3，前轴具备转向功能，所受侧向力忽略不计，根据车辆结构设计，前轴内侧车轮最大转角为35°，外侧转角30.5°。转向中心位于后两轴之间，因此后两轴车轮的转动轴线与转向中心的距离较小，因此侧向力产生的转向阻力矩很小，忽略不计。

水上操纵方式设计

水陆两栖运输车的操纵性是指按照驾驶员的意图保持或改变其运动状态的能力，即车辆能保持或改变其航速、航向和位置的性能。水陆两栖运输车的操纵性主要包含以下三方面内容：

(1)航向稳定性：车辆在水平面内的运动受扰动而偏离平衡状态，当扰动完全消除后能保持其原有平衡状态的性能。

(2)回转性：车辆在操纵机构的作用下改变运动方向和沿不同半径做曲线运动的能力。

(3)惯性特性：车辆在水上启动、加速、减速、停车、倒车时，车辆维持原有运动状态的特性。

在航行过程中，为了尽快达到预定的目的地，驾驶员总是力图使车辆以一定的速度保持直线航行，此时要求车辆具有良好的航向稳定性。但在预定航线上经常会发现障碍物或其他车辆，为避免碰撞，驾驶员需要使车辆及时改变航向和航速，此时要求车辆具有良好的回转性。

两栖运输车的水上操纵方式与传统的操舵方式不同。传统的操纵方式是以螺旋桨加舵，若为单轴推进，船舶的回转能力依赖与舵的设计；若为双桨双舵的模式，那么不仅可以通过改变舵角来进行回转，同时可以通过两个螺旋桨的正倒车的设置形成回转力矩提供完成回转能力。

本两栖运输车采用的操纵方式是单喷水推进器单舵模式，在舵的设计上需要考虑在水中航行的回转能力。考虑多个回转方案：

(1)正车航行及转向模式：单喷水推进器工作，依靠操舵提供舵角来完成回转，需要考虑到在最大舵角的时候回转半径，能够尽可能满足要求，如图4-1所示。

(2)倒车航行及转向模式：在正车航行如需倒车，对尾部舵叶进行关闭，改变喷水推进器出水流向至向前喷水，实现倒车功能，如需倒车转向，则通过分别关闭左右倒车水流道实现倒车转向功能，如图4-2所示。

针对上述二种操纵模式，在设计舵以及操舵系统时需要：考虑三种操纵所适应的工况，包括航速限制、横摇限制、回转半径和航向稳定性的限制。

当前进行驶时，转向舵叶与前进方向平行；“U”形流道的左侧舵叶和右侧舵叶关闭流道；当前进右转时，转向舵叶与前进方向呈负角度夹角；“U”形流道的左侧舵叶和右侧舵叶关闭流道；当前进左转时，转向舵叶与前进方向呈正角度夹角；“U”形流道的左侧舵叶和右侧舵叶关闭流道；当正向倒车时，转向舵叶与前进方向垂直；“U”形流道的左侧舵叶和右侧舵叶关闭流道；当倒车右转时，转向舵叶与前进方向垂直并封闭排水口；左侧舵叶关闭左侧流道，右侧舵叶打开；当倒车左转时，转向舵叶与前进方向垂直并封闭排水口；右侧舵叶关闭右侧流道，左侧舵叶打开。

水上行驶控制方法包括如下步骤：

1)当前进行驶时，所述转向舵叶与前进方向平行；“U”形流道的左侧舵叶和右侧舵叶关闭流道；2)当前进右转时，所述转向舵叶与前进方向呈负角度夹角；“U”形流道的左侧舵叶和右侧舵叶关闭流道；3)当前进左转时，所述转向舵叶与前进方向呈正角度夹角；“U”形流道的左侧舵叶和右侧舵叶关闭流道；4)当正向倒车时，所述转向舵叶与前进方向垂直；“U”形流道的左侧舵叶和右侧舵叶关闭流道；5)当倒车右转时，所述转向舵叶与前进方向垂直并封闭所述排水口；左侧舵叶关闭左侧流道，右侧舵叶打开；6)当倒车左转时，所述转向舵叶与前进方向垂直并封闭所述排水口；右侧舵叶关闭右侧流道，左侧舵叶打开

通过试验或者仿真计算方法，计算三种模式的回转能力极限，以及在回转过程中可能出现的危险情况，得到三种模式的极限状态，保证在实际操纵过程中能够保证在安全的范围内。

正常行驶时悬架行程控制在-130mm至120mm之间，车轮提升时悬架行程在-130mm至400mm之间。具体参数如下表所示。由内外缸筒、主副密封、充油充气单向阀、上下支耳、及防尘罩等组成，其中防尘罩采用高硅氧材料，具有对高温气流的防护性能。

采用油气弹簧分组串通、调高等功能。调高阀块接收电气系统调高控制器的指令，通过给油气弹簧充放油，实现车架高度调节。

调高控制阀块集成了调速阀、电磁开关型换向阀、单向阀和溢流阀四种不同类型的阀件，可实现悬架油路的限流、通断、隔离和安全保护作用，通过四路电磁换向阀的通断，实现左前、左后、右前、右后四组油气弹簧油路的充放油，进而控制油气弹簧的平衡位置。既可对四个点进行同步调高，又可对四个点进行单独控制，能够实现车架高度的连续调整，保证底盘在不同载荷下都能够在最佳高度状态下行驶。调高控制器设置了一键式高度自动调节功能，可完成车架高度的快速调节，以实现公路机动与铁路运输状态的快速转换。

转向液压系统的主泵由发动机带动，应急泵由分动箱驱动。车辆在正常行驶时，主泵转速高，输出流量大于系统额定流量，油液通过稳流阀、转向器分配阀，向转向助力油缸供油，使系统正常工作，应急泵提供的油液通过稳流阀的卸油口直接回油箱。

车辆在低速转弯时，主泵输出流量小于稳流阀设定的最小切换流量时，应急泵油路自动接上，使主泵、应急泵同时向系统供油，使系统正常工作。尤其在发动机熄火时，只要车辆仍在行走，应急泵能及时供油，保证转向系统良好的操纵性。

传动轴分为主传动轴、轮边传动轴、取力传动轴，发动机、变速箱、分动箱和主减速器之间采用主传动轴进行动力传递，主减速器和轮边减速器之间采用轮边传动轴进行动力传递，上装设备和水陆分动箱之间采用取力传动轴进行动力传动，传动轴分布如图1所示。主传动轴共6根，轮边传动轴共6根，水上传动使用传动轴共2根。

陆上行驶系统

陆上行驶系统由悬架系统、油气弹簧、车轮、转向系统、制动系统和履带辅助系统组成。

考虑结构轻量化、减小水阻、水陆两栖行驶等要求，悬架系统双横臂采用钛合金材料，油气弹簧采用双腔结构型式，减重的同时实现车轮提升功能及减振功能；转向系统采用一桥转向或履带配合转向型式，满足最小转弯直径和四级公路通过性要求；制动系统采用双回路气压盘式制动型式，提高整车制动的可靠性；通过轮履辅助系统实现岸滩登陆或入水功能。此方案可实现多工况行驶及多工况转向功能，具有良好的越野性和公路通过性。

履带机构自清洗技术

由于液压系统具有自密性，因此履带机构不需要做整体密封，降低两栖运输车系统密封难度。车体底部设计有高压喷水、喷气清洗装置，当两栖运输车在污水、淤泥、淤沙等环境中通行后，清洗装置开始工作，实现对行走机构运动部位的清洗，避免泥沙等杂物进入履带行走机构运动关节、传动链，造成机械功能失效或机械结构损坏。当履带行走机构不工作时将其收放至车体内部，防止泥沙进入运动关节，进一步对履带机构进行保护。

履带机构的行走结构设计及计算

为减小加装履带机构后带来的额外负重影响，对履带机构的行走机构进行轻量化设计，优化结构和材料。

在保证足够接地面积的同时尽量减小履带长度，履带行走机构设计为扁长形，履带主动轮直径较小，为480mm，履带采用橡胶材质，通过CAE分析优化履带尺寸和重量，在保证履带强度的条件下。通过力学分析得到履带行走机构的负载，通过强度校核确定负重轮数量和尺寸，使得负重轮数量和尺寸在合理的范围内。主动轮和张紧轮采用非金属材质，受力结构件采用钛合金等低密度高轻度金属，在保证各功能部件强度的前提下优化质量，使履带行走机构质量达到最小。同样地，为减轻动力和传动部分的重量，履带行走机构驱动方式采用液压驱动，简化传动机构，减轻了重量。

液压马达选型计算

履带机构通过液压马达驱动。为实现履带和轮式行走机构的协同行驶，保证行驶效率，履带与车轮相对地面的行驶速度应保持匹配。以车轮在一档时的转速为设计输入，根据液压马达的额定转速，设计履带主动轮直径为480mm，保证了履带线速度与轮胎线速度相同，避免了车轮与履带速度差造成的能量损耗，最大程度利用土壤推力，提高牵引性能。

履带机构结构强度分析

履带辅助驱动方案，在确保履带系统提供一定的驱动力时，为降低履带系统重量，以控制整车重量，需要对履带机构轻量化设计的关键结构进行强度分析和校核。

轮履复合行走工况设计

为提高两栖运输车的运输效率，设计其形式工况为：

(1)水上航行工况：车辆下水行驶前将履带行走机构收起避免产生额外的水中阻力，车辆在水中行驶时收起各个车轮，最大化减小车轮产生的水中阻力。

(2)水陆交界工况：车辆登陆之前放下履带行走机构，保证在车辆接接地面时及时获得足够的驱动力，增强车辆登陆能力。

(3)越野工况：当车辆通过松软路面低速行驶时，控制履带行走机构油气弹簧伸张，放下履带与地面接触并提供驱动力，提高车辆通行效率。当车辆行驶在崎岖路面时，放下履带行走机构并将轮式行走系统油气弹簧伸张至最大行程，车辆离地间隙达到最大值，提高车辆在崎岖路面的通过性。

(4)陆上行驶工况：当行驶在路况较好的路面时，控制油气弹簧收缩收起履带行走机构，以轮式行走机构高速行驶，保证了高机动性和低能耗。与此同时，为增加高速行驶稳定性应收缩轮式行走系统的油气弹簧以降低车身高度。

轮履复合速度匹配控制策略

对于轮履复合驱动车辆，车轮与履带行走机构分别独立驱动，即车轮和履带行走机构的输出转矩、转速都可以独立控制。因此对车辆进行运动和动力学控制的本质是在感知车轮与地面之间力的作用和传递情况基础上，对车轮和履带的输出转矩和转速进行分布式独立调节，通过履带行走机构和车轮之间输出转矩或转速的差异，使得在满足动力需求基础上产生所需的附着力，由此来改变分布式驱动车辆的运动姿态。此外在一些特殊工况下，还可以通过对车轮和履带行走机构转速进行分布式调节，实现车辆的高通过性和地形适应能力。

当使用履带时，整车控制器监测方向盘转角信号，判断整车处于直行工况或转向工况。当判断整车处于直线行驶工况时，整车VCU监测当前驱动轴的转速信号与履带转速信号，当两者速度差大于某一设定阀值时，整车域控制器通过比例电磁阀开度对履带速度进行调速。当判断整车处于转向工况时：监控方向盘转角达到转向阀值(左转/右转)，通过当前车速(ABS采集)和方向盘转角，采用阿卡曼转向模型模拟计算出左右履带的目标车速，对左右履带进行车速的独立控制，以满足履带驱动时整车的转向需求。

在控制轮履复合速度匹配过程中，还需要对对履带机构进行高度控制，根据地面起伏气孔操纵履带机构升降，避免其承受过大轴荷，损坏结构或液压系统。

在轮履复合行驶过程中，实时采集履带压力传感器数据和位移传感器数据；轮履复合控制系统具备标定功能，标定并存储履带压力阈值，履带高位和低位；仅当车速为零时响应整车控制器发送的履带高度调节指令；当履带压力大于标定阈值，停止控制，并反馈履带已触地；当位移传感器达到目标控制值，停止控制，反馈高度调节到位；在行驶过程中，控制系统感知到履带压力大于标定阀值时，控制油气弹簧提升履带机构，减小履带系统承重。

油气弹簧的高度调节系统液压原理采用油气弹簧分组串通、调高等功能。调高阀块接收电气系统调高控制器的指令，通过给油气弹簧充放油，实现车架高度调节。

调高控制阀块集成了调速阀、电磁开关型换向阀、单向阀和溢流阀四种不同类型的阀件，可实现悬架油路的限流、通断、隔离和安全保护作用，通过四路电磁换向阀的通断，实现左前、左后、右前、右后四组油气弹簧油路的充放油，进而控制油气弹簧的平衡位置。既可对四个点进行同步调高，又可对四个点进行单独控制，能够实现车架高度的连续调整，保证底盘在不同载荷下都能够在最佳高度状态下行驶。调高控制器设置了一键式高度自动调节功能，可完成车架高度的快速调节，以实现公路机动与铁路运输状态的快速转换。

悬架提升控制

在车身姿态调高控制系统中，左前、左后、中前、中后、右前、右后等6个悬架组高度分别通过左前、左后、中前、中后、右前、右后等6个角位移传感器进行测量。通过悬架提升控制器根据实时的悬架横臂角度数值，控制电磁阀的开关实现高度调节功能，通过信息显示终端进行显示。

滩涂登陆行驶动力分配控制策略

登陆滩涂行驶时，水陆两栖运输车面临着复杂的浅滩环境，比如沙土、淤泥、凹坑、砾石、礁石、暗礁、渔网、水草等，如此复杂的战场环境对车辆操控稳定性和整车动力分配增加了难度。

在两栖车以水上模式航行至距岸边50-100米处，为了防止暗礁等复杂地形对车体的硬损伤，驾驶员松开综合操舵，两栖车减速至发动机怠速状态；驾驶员将工作模式旋钮旋至上下滩涂模式，两栖车的工作状态从水上模式切换到上下滩涂模式，其中发动机额定功率切换为350kW，两栖车的6个轮胎放下；两栖车此时仍处在完全的水域状态，轮胎的附着系数μ＝0，发动机的动力主要分配给喷水推进器，驾驶员操控车辆以大约10km/h的速度向岸上冲，实时检测车速V和轮胎的附着系数μ；当车辆速度降至5km/h以内，并且μ>0，此时轮胎已经接触地面，车辆进入水陆混合的浅滩状态，驾驶员放下两侧的履带轮，发动机的动力同时分配给车轮、履带轮和水推；实时检测检测车速V、轮胎驱动力F₁、水推推力F₂以及履带驱动力F₃，通过整车控制器中的整车驱动动力分配算法模块合理分配整车的动力，动力分配的优先权从高到低依次是F₁、F₂、F₃，最终目的是实现两栖车有效驱动力的最大化；当冲出浅滩状态，进入完全陆域的滩涂地带后，如果检测到V>0、F₁>0、F₂＝0、F₃＝0，说明车辆已经达到了可由6个车轮独立驱动行驶的状态，驾驶员通过实时判断后，可以将工作模式旋钮旋至陆上模式，两栖车从上下滩涂模式切换到陆上模式，车辆完全关闭喷水推进器、收起压浪板、收起履带轮等。

采用上述的结构后，能够实现水陆两栖，满足陆军登岛作战、边界管控、界江和界河巡察、海外维和处突等特种作战任务对后勤物资可靠、便捷、高效的运输需求。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种水陆两栖车，其特征在于，具有：

车体系统、传动系统、陆上行驶系统、水上航行系统；

所述车体系统包括：

车架；

车体首部，设置在所述车架的头部；

压浪板机构，设置在所述车架首部下部；

驾驶室，设置在所述车体首部上部；

浮箱，设置在所述车架的两侧；

货仓，设置在所述车架的后部；

所述陆上行驶系统包括：

第一车桥、第二车桥和第三车桥，安装在所述车架上；所述第一车桥、第二车桥和第三车桥上安装有车轮；

履带机构，设置在所述车架上；

所述履带机构具有：

履带支架；

油气弹簧，其第一端与所述车架铰接，油气弹簧的的活塞杆与所述履带支架铰接；

摆臂，其第一端与所述车架铰接，第二端与所述履带支架铰接；

主动轮和张紧轮，分别转动安装在所述履带支架的两端；所述主动轮与车体动力机构连接；

负重轮支架，通过减震器与所述履带支架连接；

负重轮，转动安装在所述负重轮支架上；

履带，缠绕在所述主动轮、张紧轮和负重轮上；

所述水上航行系统包括：

喷水推进器，设置在所述车架的后部；

流道，设置在车架的后部，所述流道呈“U”形，“U”形流道的两端的开口朝向车头；

所述“U”形流道的中部设有进水口，所述喷水推进器与所述进水口连通；

左侧舵叶和右侧舵叶，所述左侧舵叶和右侧舵叶设置在所述“U”形流道的两侧，所述左侧舵叶和右侧舵叶能够打开或关闭左侧和右侧的流路；

排水口，设置在所述“U”形流道的底部，所述排水口朝向车尾；

转向舵叶，设置在所述排水口上，所述转向舵叶能够打开或关闭所述排水口；

所述传动系统包括：

发动机、水陆分动箱、变速器、陆上分动箱、喷水推进器齿轮箱，安装在所述车架上；

所述发动机与所述水陆分动箱连接，所述水陆分动箱与变速器连接，所述变速器陆上分动箱连接，所述陆上分动箱与所述第一车桥、第二车桥和第三车桥连接；

所述水陆分动箱与喷水推进器齿轮箱连接，所述喷水推进器齿轮箱与喷水推进器连接。

2.如权利要求1所述的水陆两栖车，其特征在于，履带机构通过油气弹簧的收缩可实现收放，履带机构收起时车辆以轮式正常行走，实现车辆在结构化路面的行驶；履带机构放下与地面接触时，车辆以轮、履复合行走机构行驶，增大了与地面的接触面积，降低接地比和车轮下陷量，实现车辆的可靠行驶。

3.如权利要求2所述的水陆两栖车，其特征在于，悬架为双横臂式悬架，包括上横臂和下横臂，所述上横臂和下横臂的第一端与车轮铰接，第二端与所述车架铰接；还包括车轮伸缩油气弹簧，所述车轮伸缩油气弹簧第一端与所述车架铰接，第二端与所述车轮铰接。

4.如权利要求3所述的水陆两栖车，其特征在于，还具有陆上转向系统，所述陆上转向系统具有：

循环球转换机，安装在所述车架上；

转向横拉杆，安装在所述车架上；主动臂，其第一端与所述循环球转换机铰接，第二端与所述与所述转向横拉杆铰接并能驱动转向横拉杆活动；

转向节臂，共有两个，分别设置在所述第一车桥的两侧，两个转向节臂分别与第一车桥的两侧的轮毂铰接；

转向边拉杆，共有两个，分别设置在所述第一车桥的两端，所述转向边拉杆第一端与所述转向横拉杆的一端铰接，第二端与所述转向节臂铰接；

从动臂，其第一端与所述转向横拉杆铰接，第二端与所述车架铰接。

5.如权利要求4所述的水陆两栖车，其特征在于，传动路径为：

1)、发动机→水陆分动箱→变速箱→陆上分动箱→第二车桥→车轮；

2)、陆上分动箱→第一车桥→车轮；

3)、第二车桥→传动角箱→第三车桥→车轮；

4)、水陆分动箱→喷泵齿轮箱→喷泵；

5)、水陆分动箱→液压系统→履带。

6.如权利要求5所述的水陆两栖车，其特征在于，工作工况为：

1)水上航行工况：车辆下水行驶前将履带机构收起避免产生额外的水中阻力，车辆在水中行驶时收起各个车轮，减小车轮产生的水中阻力；

2)水陆交界工况：车辆登陆之前放下履带机构，保证在车辆接触地面时获得足够的驱动力，提高车辆登陆能力；

3)越野工况：当车辆通过松软路面行驶时，控制履带机构油气弹簧伸张，放下履带与地面接触并提供驱动力，提高车辆通行效率；当车辆行驶在崎岖路面时，放下履带机构并将车轮伸缩油气弹簧伸张至最大行程，车辆离地间隙达到最大值，提高车辆在崎岖路面的通过性；

4)陆上行驶工况：当行驶在平整的路面时，控制履带机构油气弹簧收缩收起履带机构，以轮式行走机构行驶，保证了机动性；与此同时，为增加行驶稳定性，收缩轮式行走系统的车轮伸缩油气弹簧，降低车身高度。

7.如权利要求6所述的水陆两栖车，其特征在于，还包括电气系统，所述电气系统包括空调、蓄电池、灯光、雨刷、仪表、按钮与开关。

8.如权利要求7所述的水陆两栖车，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统包括发动机ECU、陆上控制器、水上控制器；所述发动机ECU控制发动机；陆上控制器控制车轮提升、履带提升机构、换挡机构；所述水上控制器控制水上制动、水上航线、倒车、转向；操作人员操作水上航线模式和陆上航线模式的切换；操作人员操作分动箱、刹车、油门、驻车、转向、喷泵停机。

9.如权利要求8所述的水陆两栖车，其特征在于，还包括整车冷却系统，所述冷却系统包括发动机冷却系统、AT变速箱冷却系统、液压冷却系统、中冷器冷却系统、水陆分动箱冷却系统、陆上分动箱冷却系统。

10.如权利要求9所述的水陆两栖车，其特征在于，控制过程包括：

对于轮履复合驱动车辆，车轮与履带行走机构分别独立驱动，即车轮和履带行走机构的输出转矩、转速都独立控制；因此对车辆进行运动和动力学控制的本质是在感知车轮与地面之间力的作用和传递情况基础上，对车轮和履带的输出转矩和转速进行分布式独立调节，通过履带行走机构和车轮之间输出转矩或转速的差异，使得在满足动力需求基础上产生所需的附着力，由此来改变分布式驱动车辆的运动姿态；此外在特殊工况下，能够通过对车轮和履带行走机构转速进行分布式调节，提高车辆的通过性和地形适应能力；

当使用履带时，整车控制器监测方向盘转角信号，判断整车处于直行工况或转向工况；当判断整车处于直线行驶工况时，整车VCU监测当前驱动轴的转速信号与履带转速信号，当两者速度差大于设定阀值时，整车域控制器通过比例电磁阀开度对履带速度进行调速；当判断整车处于转向工况时：监控方向盘转角达到转向阀值，通过当前车速和方向盘转角，采用阿卡曼转向模型模拟计算出左右履带的目标车速，对左右履带进行车速的独立控制，以满足履带驱动时整车的转向需求；

在控制轮履复合速度匹配过程中，还需要对履带机构进行高度控制，根据地面起伏操纵履带机构升降，避免承受超过规定的轴荷，损坏结构或液压系统；

在轮履复合行驶过程中，实时采集履带压力传感器数据和位移传感器数据；轮履复合控制系统具备标定功能，标定并存储履带压力阈值，履带高位和低位；仅当车速为零时响应整车控制器发送的履带高度调节指令；当履带压力大于标定阈值，停止控制，并反馈履带已触地；当位移传感器达到目标控制值，停止控制，反馈高度调节到位；在行驶过程中，控制系统感知到履带压力大于标定阀值时，控制油气弹簧提升履带机构，减小履带系统承重。

11.如权利要求10所述的水陆两栖车，其特征在于，登陆滩涂行驶时控制过程如下：

在两栖车以水上模式航行至距岸边50-100米处，为了防止地形对车体的损伤，驾驶员松开综合操舵，两栖车减速至发动机怠速状态；驾驶员将工作模式旋钮旋至上下滩涂模式，两栖车的工作状态从水上模式切换到上下滩涂模式，其中发动机额定功率切换为350kW，两栖车的6个轮胎放下；两栖车此时仍处在完全的水域状态，轮胎的附着系数μ＝0，发动机的动力分配给喷水推进器，驾驶员操控车辆以5km/h～15km/h的速度向岸上冲，实时检测车速V和轮胎的附着系数μ；当车辆速度降至5km/h以内，并且μ>0，此时轮胎已经接触地面，车辆进入水陆混合的浅滩状态，驾驶员放下两侧的履带轮，发动机的动力同时分配给车轮、履带轮和喷水推进器；实时检测检测车速V、轮胎驱动力F₁、水推推力F₂以及履带驱动力F₃，通过整车控制器中的整车驱动动力分配算法模块分配整车的动力，动力分配的优先权从高到低依次是F₁、F₂、F₃，最终目的是实现两栖车驱动力的最大化；当冲出浅滩状态，进入完全陆域的滩涂地带后，如果检测到V>0、F₁>0、F₂＝0、F₃＝0，说明车辆已经达到了可由6个车轮独立驱动行驶的状态，驾驶员通过实时判断后，能够将工作模式旋钮旋至陆上模式，两栖车从上下滩涂模式切换到陆上模式，车辆完全关闭喷水推进器、收起压浪板、收起履带轮。

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