装甲车辆动力系统设计过程研究综述

引言

装甲车辆动力系统是驱动整车行驶所需能量产生、转换、传递、消耗与管理的各部件及子系统的有机综合体,其功能主要是完成从燃料燃烧释放的化学能向机械能的高效转换,实现理想的驱动特性,满足装甲车辆对最高车速、最大爬坡度和最短加速时间等的驱动要求。同时,动力系统还应具有良好的经济性、结构紧凑性、可靠性、可操作性和可维修性等[1]。

1装甲车辆动力系统总体设计过程研究

装甲车辆动力系统设计技术经历了从经验设计到预测设计,从按各系统分离设计到系统集成设计的发展历程。

装甲车辆动力系统的传统设计方法是将发动机、传动装置、辅助系统和车辆总体等分别作为独立部分,各自进行研究。研究人员往往致力于提高各部分的性能,而对整车性能和各系统之间的相互影响考虑不周,甚至出现将各部分之间的连接简单地作为"机械部件汇总"的情况。这种"分散、堆积、拼凑"的研究方法,导致了片面追求某一局部先进指标而忽略总体性能问题,或在系统组合时出现性能匹配问题等。

这种局部的"高水平提升"既无法实现"系统大于各部件之和"的量的优化,也无法实现"结构集成与功能集成有机统一"的质的转化,原因在于任何一个先进部件或技术的采用能否提高整车总体的机动性还存在一个合理匹配问题。

首先,根据整车设计要求和指标需求对发动机的标定功率进行选定,一般认为发动机标定功率主要取决于装甲车辆的战斗全重和最大速度,因此,既可根据式(1)计算出发动机的标定功率,并由发动机设计者依据设计经验计算发动机外特性,也可以通过已有发动机稳态工况的外特性曲线进行对比分析得到。同时,应明确发动机的主要结构形式(如气缸排列形式等)和结构参数(如缸径、冲程等)。

P=(1)

式中,P为发动机标定功率(kw):f为装甲车辆在规定路面上行驶时的地面阻力系数:G为装甲车辆战斗全重(t):g为重力加速度(m/S2):w为装甲车辆最大速度(km/h):7为装甲车辆总效率。

传动装置设计者根据发动机所提供的动力性能(发动机外特性曲线)和车辆行驶对牵引力和速度变化的要求,进行传动装置的总体方案设计以及传动比的确定和分析,包括发动机布置形式和传动类型选择、排挡划分、传动比确定、牵引特性计算和总传动比分配等。

发动机和传动装置的主要参数确定后,进行车辆的直线行驶和转向牵引特性计算和分析,验算发动机与传动装置的

匹配是否满足整车机动性设计指标的要求[2]。这种计算很难全面考虑不同的外界环境温度与压力、运行工况、行驶阻力和驾驶操作模式等因素对动力系统整体性能匹配的综合影响。

在发动机和传动装置等主要部件的类型、总体结构方案初步确定后,根据装甲车辆的实际用途、乘员人数等进行动力系统的总体布置,其目的就是要在动力舱的空间尺寸和位置等方面对动力系统和部件进行约束。

在进行辅助系统设计(主要讨论对动力系统总体布置和设计有较大影响的冷却系统设计)时,一般采用统计资料得出的经验公式或参照同系列发动机的试验数据对比等方法估算发动机的散热量,根据不同传动类型的效率估算传动装置的散热量,进而匹配冷却系统主要部件的设计参数,并根据整车动力舱的尺寸约束完成辅助系统总体设计方案。

由于装甲车辆工作环境的特殊性和动力舱容积的局限性等因素,通过经验公式或类比计算得出的散热量与实际情况差别较大。装甲车辆动力舱冷却风道的阻力计算由于缺乏精确的计算方法,很难保证参数选取的精度,而此参数是影响冷却风量的重要参数之一,冷却风量又是影响冷却系统性能最重要的参数之一,同时也是最难控制与准确计算的参数,因此很难保证辅助系统的设计能够满足各种环境和工况下的需求。

1装甲车辆结构布局的历史发展

在结构布局上,20世纪50年代以前,装甲车辆动力系统多采用"顺其自然"的布置形式,即根据部件的外形尺寸,按照动力的传递路线和沿气体、液体的自然流向来布置各部件,部件之间的布置比较松散,动力舱空间较大。根据动力系统选型进行匹配,能够实现有限的系统参数优化综合性能。对于特种车辆,尤其是坦克装甲车辆动力系统,均采用这种设计方式,如苏联20世纪40年代的T-34坦克,发动机为纵向布置(发动机曲轴中心线与车体中心线平行)。

从20世纪60年代开始,各国的坦克开始采用"适应给定空间"的动力舱布置方法,即根据车辆总体设计的性能和布置要求,在限定的动力舱尺寸下对各部件进行精心设计和布置,以期获得布置紧凑的动力舱。

20世纪70年代初期,由于对车辆性能要求的日益提高,国外逐步开始综合考虑发动机和变速箱之间的相互影响,并在此基础上评价动力系统设计方案。20世纪80年代初期,国外在发展三代军用车辆时开始采用"先进集成设计"的动力舱布置方法,淡化发动机和传动装置的边界,形成"推进系统"的新概念,有效地提高了整个动力系统的功率,减小了动力系统的体积和质量,从而大大提高了整车性能。"先进集成设计"的核心思想在于"以动力舱总体体积最优为目标,实现发动机、传动装置和辅助系统等的高度集成和精细匹配"。

1982年美国开始实施的先进整体式推进系统(AIPS)计划产生了两种充分体现"先进集成设计"思想的动力系统技术方案:一种是由通用电气公司以燃气轮机为动力设计的整体式推进系统LV100,另一种是由康明斯公司以xAV-28柴油机为动力设计的xAP-1000整体式推进系统。

3装甲车辆动力系统集成设计过程研究

动力系统集成设计技术是将发动机、传动装置与辅助系统作为一个整体,研究它们之间的最优匹配问题和总体集成设计,以系统的设计方法、先进的设计手段和规范的设计流程为基础,采用集成化的设计平台和技术体系,重点关注系统功率流、热流和物质流协调一致的参数匹配,进而实现最优的综合性能。与传统设计方法相比,在系统设计思想指导下的动力系统集成设计具有以下显著特点:

(1)无论是结构集成还是性能匹配,都把动力系统看作一个有机的整体,全系统或子系统的配置与布局总是以系统设计目标为导向的、不追求单项指标的"高水平提升",更加重视动力系统整体的参数匹配。这就需要从传统的基于部件的性能评价和参数匹配,转向基于整车的性能评价和参数匹配。

(2)无论是对单个子系统还是对部件的改进设计或创新设计,都非常重视这些子系统或部件与其他子系统或部件之间的匹配,避免因匹配不合理造成的先进子系统或部件的效率低下,整体性能不升反降。这就需要从传统的依据静态性能的评价和部件设计,转向依据动态性能的评价和部件设计。

(3)将动力系统纳入整车的使用环境中进行综合匹配和优化,考虑环境因素对动力系统的影响,增强动力系统对各种环境和工况的适应性,以提高整个系统的效率。这就需要从传统的基于点工况的性能匹配和优化,转向基于线工况和面工况的性能匹配和优化。

(4)动力系统集成设计技术将动力系统、传动装置、辅助装置和控制装置等作为一个整体进行设计,优化其空间布置和性能匹配,缩小系统的整体体积,改善其整体工作性能,避免因分散设计而带来的不必要的空间浪费,并在满足防护要求的前提下,减小平台质量,缩减平台的外形尺寸。

因此,集成设计技术体系构建有别于传统设计方法的系统组成分类,通常将车辆动力系统划分为发动机、传动装置、液流系统、冷却空气系统、燃烧空气系统、控制系统6个子系统。

动力系统集成设计是将6个子系统作为一个整体进行系统化的仿真、分析和优化,通过分析动力系统系统层面的参数和部件特性对动力系统性能的影响规律以及动力系统功率流、热流、动力学和结构集成设计之间的相互耦合关系,对比不同系统方案并针对特定系统方案进行参数综合匹配优化,实现动力系统良好的动力性、经济性等综合指标。动力系统集成设计不片面强调某个子系统和部件性能最优化,而更加关注在系统层面各子系统性能是否能够充分发挥出来,研究子系统和关键部件的性能以及彼此参数匹配关系和技术方案对整个动力系统的影响,从而设计出理想的动力系统设计方案。

车辆动力系统的能量传递、转换过程是一个涉及多学科、多领域的复杂过程。在这一过程中,各种影响能量传递、转换的因素之间相互耦合、相互影响。因此,动力系统集成设计还要探讨基于能量的多学科匹配和参数耦合分析等全新的系统分析方法。动力系统能量匹配参数耦合分析方法的思想重点在于强调各学科间的相互影响,突出能够体现各学科之间关键耦合点的参数关系分析和耦合模型构建,研究耦合关系对动力系统性能指标的影响,从动力系统能量传递和耦合的系统学角度使各子系统参数得到综合匹配,实现动力系统基于能量的多学科参数综合匹配和优化,实现动力系统高体积功率和低质量功率的设计指标。

4结论与展望

随着计算机技术的不断发展,各种专业仿真工具不断涌现,软件接口技术和数据交互技术的发展使集成设计成为可能。上述设计工具的发展,为研究动力系统的系统匹配和系统设计及实现动力系统的集成设计提供了必要的技术支持。

这些系统性、多学科、多物理现象的集成匹配仿真平台,以及各种零部件和子系统分析手段的应用,极大地缩短了动力系统开发的时间,是车辆动力系统方案对比、系统匹配、系统优化和部件参数设计的关键技术。