车载雷达传动装置设计 - 图文

车载雷达传动装置设计

基本参数与要求：

? 雷达直径φ3 m，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）800X700X500。 ? 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幵到需要的前沿上,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。

此外，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、勻速转动。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、勻速转动。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。

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.內涨式锁紧缸

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,釆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—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

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：

(1)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;

(2)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；

(4)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;

(5)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:

图5.6

锁紧机构的设计载荷F=9800N,此时锁钩最大应力:

?=155MPa<835MPa(38CrMoAlA 的屈服强度)

卡钩最大应力?=126MPa<835MPa(38CrMoAlA的屈服强度) 卡钩强度满足;

基体最大应力?=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

6.1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。

图6.1天线阵面系统组成示意图

图6.2天线阵面冷却系统示意图

6.1.2天线阵面系统结构设计

根据天线阵面内部各组成部件的功能和互连关系，并结合在实际使用中维修性，天线阵面系统结构设计对天线阵面各组成部件进行组合和集成，最终将天 线阵面组合为阵面框架、有源线阵以及后端功能部件3 大部分。

阵面框架是天线阵面的支撑结构主体，由结构骨架、冷却流道和一部分的内部走线组成。对结构骨架可与冷却流道进行一体化设计，以减小结构体积，减轻框架重量。

有源线阵是天线阵面实现射频收发的主要部件。以冷板为结构基础，在冷板两面贴装T/R组件，再加上射频、控制和电源网络，形成线阵。有源线阵作为一个整体的功能部件在装配、调试以及维护等阶段都相对独立，同时满足天线阵面的扩展性需求。

阵面后端功能部件位于天线阵面背面，包括波控模块、馈线网络和阵面信号总线构成。各部分相互独立，通过盲插装置或电缆组件实现与有源线阵信号连接。通过上述组合集成，天线阵面层次清晰，装配关系合理，便于工程化研制和后期的使用维护。 6.2主要部件结构设计 6.2.1阵面框架设计

阵面框架是天线阵面的主要承力部件，由围框和底板装配而成，为阵面中的所有设备提供安装固定的基础。围框为有源线阵提供插拔导向和安装基础，其形式为带翻边的折线截面筒状结构，具有较高的刚度，为减轻重量，采用碳纤维复合

材料整体成型。底板是阵面承力结构基础，采用高强度铝合金材料加工而成，是有源线阵同后端处理模块对接的结构界面，底板同时还带水冷静压腔，用于各有源线阵冷却水的分配。底板上的机械接口和液冷接口的位置精度较高，不低于 ±0.05mm，底板上的电接口选用可浮动的电连接器，便于有源线阵盲插对接。 6.2.2有源线阵设计

有源线阵由线阵支架、天线振子、T/R组件以及列馈 4 部分组成，如图6.3 所示。

图6.3有源线阵示意图

线阵支架是有源线阵的结构支撑，其两端安装盲插水接头，内部包含冷却管路为T/R组件提供散热功能; 线阵支架内部还安装综合线束，用于传输电流、射频信号和控制信号。天线振子直接固定在T/R组件上，形成可独立维修的现场可更换模块。列馈属于无源部件，几乎不用维修，安装在线阵支架的后端，通过综合线束与T/R组件连接形成信号链路。集成后的有源线阵作为现场可更换单元，通过围框的导向槽直接与底板盲插，利用锁紧装置与围框和底板固定，有效保证电接口和液冷接口的可靠性。 6.2.3后端功能部件设计

后端功能模块主要包括波控模块、馈线网络以及阵面总线等。波控模块为分布式模块，作为一级现场可更换模块，每个波控模块对应控制一条有源线阵，为了提高波控模块的可维护性，波控模块设计成插盒结构形式，通过底板的导向插槽与有源线阵的综合线束盲插对接，再由锁紧装置与阵面框架固定; 馈线网络采用印制板层压结构形式，固定在底板后面，通过转接电缆与有源线阵对应的接口连接; 阵面总线包括供电传输网络和控制信号分配网络，分别安装在底板后端面的上下边缘，通过电连接器与有源线阵对应的电接口对接; 供电传输网络由铜板和

绝缘介质叠层而成，控制信号分配网络由PCB印制板设计而成。

七 方位转动机构设计

对车载雷达天线来说，在满足天线座刚度和谐振频率的条件下，采用合理的设计方案，尽量减小天线座的结构尺寸，减轻重量和惯量，以提高车载雷达天线的高机动性能要求。雷达天线方位转台是雷达天线的主要组成部分。其作用是实现天线座的方位支承和转动功能。方位转台设计方案的优劣，直接影响着天线座结构系统的性能指标。

7.1天线座方位转台结构设计方案

该天线座方位转台实现天线座的方位支承和转动功能。其结构方案如图7.1所示，该天线座方位转台由方位电机、方位底座、方位轴承、方位减速箱（兼做连接方位和俯仰部分的桥板）、方位轴、方位大齿圈、电缆卷绕装置、旋转变压器、数据箱和限位装置等组成。

图7.1 天线座方位转台结构图

7.2方位底座

方位底座是用厚度1.5mm的16M钢板卷制而成的直径1190mm，高度1450mm的薄壁圆筒。在圆筒内壁分布着环向和纵向加强筋，加强筋是采用薄钢板折弯而成的薄壁非标槽钢，利用了箱型结构抗弯、抗扭性能高的特点，大大提高了底座的刚度和承载能力。而且，与采用标准槽钢型材相比，大大减轻了重量。 7.3方位轴承

方位轴承选用两套型号为D1007984的圆锥滚子轴承和一套型号为D100948H的径向球轴承。两套圆锥滚子轴承为主要的方位支承转动元件，承载着轴向、径向和倾覆力矩形成的联合负载。两轴承拉开一定跨距，以提高方位轴系运动精度和抗倾覆能力。 7.4方位减速箱

由于该方位转台采用双传动链电消隙驱动方式，因而提高结构系统刚度和减小空间尺寸和重量的矛盾尤为突出。通过各种结构方案的设计和比较，形成一种比较独特的设计方案。一般双链驱动的方位转台，两条传动链需要做两个独立的减速箱箱体，然后安装在方位座体内。这样设计不但体积大、重量重，而且刚性较差。该方案采用了二合一的方法即把两条方位传动装置装进一个箱体中，箱体尺寸为1170mm1170mm200mm，这个箱体既是减速箱的箱体又是天线座方位部分和俯仰部分连接的“桥板”。这样以来，不但充分利用了“桥板”的内部空间，减小了转台体积，减轻了重量，而且提高了转台的刚性和谐振频率。 7.5方位大齿圈

方位大齿圈通过螺栓固连在“桥板”下方的方位座体上不动，两条传动链的末级输出轴齿轮，在“桥板”的下方同时与方位大齿圈啮合，驱动电机加电工作时，“桥板”绕定轴转动。

方位大齿圈采用外啮合方式，因为外啮合在同样大小啮合圆的情况下，所占用的径向尺寸较小，有利于减小底座直径，减轻重量，满足车载站的机动性能要求。方位大齿圈固定在方位底座上，承受方位转矩，较之一般的立轴式天线座将大齿圈固定在方位轴上，增加了扭转刚度，因为本方案的方位轴不承受方位扭矩，方位扭矩让底座承受，而底座是一个直径比方位轴大得多的薄壁圆筒箱形结构，其刚度要比方位轴的刚度大得多。从而提高了整个系统的动态性能。

7.6电缆卷绕装置

为了保证在方位转台运动过程中，信号的正常传输，电缆卷绕装置是方位转台中不可缺少的一部分。考虑到目前经常用到的电缆卷绕形式是双卷筒式或钢丝绳套环式，但这两种形式不是要求底座径向尺寸大，就是要求轴向尺寸长，无法满足本装车天线方位转台的要求。为了解决这一问题，该方案采用一种新型的簧式卷绕装置，其主要原理是：将电缆平铺在簧盘上，一端固定在底座上，另一端固定在方位轴上，簧盘由方位轴带动而卷绕，电缆通过方位轴孔送到俯仰部分。这种卷绕装置具有体积小，结构简单，重量轻的结构特点，为天线装车创造了有利条件。

7.7方位轴和测角元件

方位轴为空心阶梯轴，悬装在方位减速箱箱体的下方。旋转变压器是角度测量的重要元件，该方案采用套轴式旋转变压器，其转子套装在方位轴上，定子安装在座体上。在方位轴的最下端设置了方位数据传输装置和方位限位装置。

该车载雷达天线方位转台，具有结构紧凑，重量轻，刚性好等特点，提高了整个天线结构系统的谐振频率，满足了雷达天线的装车要求。

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