飛機牽引車結構及動力傳動系統的發展

飛機牽引車作為重要的機場地面支持保障車輛，主要用來在機場的跑道、滑行道和停機坪等處牽引或頂推飛機移動，在民用和軍用領域都起著不可替代的重要作用。隨著航空運輸業的不斷發展，飛機數量、體積、質量的不斷增加。對飛機牽引車的要求也越來越高。新技術和新的設計思想被不斷應用到飛機牽引車中，如無桿式牽引(抱輪)技術、電力驅動及傳動技術、混合動力技術等，從而帶來飛機牽引車結構和動力系統的不斷發展和變革。

飛機牽引車的分類

按照牽引能力分類，牽引力小于150 kN為小型牽引車，150～250 kN之間為中型牽引車，250 kN以上為大型牽引車。

按照牽引方式，可分為有桿式(常規或傳統)和無桿式。有桿牽引通過牽引桿連接飛機與牽引車，從而實現牽引或頂推作業。無桿牽引通過夾持-舉升裝置將飛機的前起落架馱載(又稱馱負)到牽引車上。

按照結構特點和牽引技術，可分為4代產品：

• 第l代：駕駛室高于車體以保證視野，全輪驅動以保證附著條件，有桿牽引，配重；
• 第2代：駕駛室高度與車體齊平(或可升降)，便于通過機身下方，有桿牽引，配重；
• 第3代：車體加寬，無桿牽引，兩后輪之間設有夾持-舉升機輪通道，后驅動輪承載飛機前輪，不必額外配重，機動靈活；
• 第4代：夾持．舉升機構靠近前輪軸線，前驅動輪承載飛機前輪，前輪特別加大且僅用作驅動輪，后輪輔助承載并轉向，轉彎更加輕便靈活；

牽引方式的發展與變革

飛機牽引桿是剛性的，中間帶有緩沖和調節裝置，在牽引飛機過程中，若飛機轉彎過度，將切斷扭力剪切銷而起到保護飛機的作用。但其靈活機動性、安全性和通用性較差，車身較重。

無桿式飛機牽引車(towbaless tractor，簡稱TLT)出現于20世紀70年代，經過近30年的發展，已經趨于成熟并被普遍應用。無桿式牽引車是將牽引桿及負責牽引桿掛接的人的作用集成到牽引車的聯機裝置——夾持-舉升機構上。常規飛機牽引車和無桿式飛機牽引車的外觀及結構對比如圖l所示。

圖2給出了飛機牽引車的幾種基本形態和作業狀態。

無桿牽引技術源于軍事航空，起初用于調度艦載機，增強飛機的快速反應能力。美英的航母和大型兩棲攻擊艦上都普遍使用無桿式牽引車。

國外20世紀80年代后出現的大型全功能無桿牽引車，已可用30km/h的高速安全牽引400t的巨型客機，在作業效率、安全性等方面取得了良好的成績，經濟效益明顯，在歐美國家已普遍使用。最新問世的B777型飛機甚至在前起落架上專門設計了供TLT聯接的裝置。

飛機牽引車與飛機的作用關系如圖3所示。

無桿牽引方式的主要優點有：

1. 牽重比(牽引質量比)大，可高達20，而常規飛機牽引車僅在5~10之間；
2. 牽引車自重較小，能耗和材料更少，空載行駛能耗和排放更低；
3. 飛機-牽引車機組長度顯著縮短，調度飛機更為靈活準確，可達到更高的速度；
4. 駕駛員一人即可完成全部操作，免除了牽引桿的摘掛操作、以及購置、保管、維修費用和存放場地，以及運輸和存放各型飛機的專用牽引桿的時間。

無桿牽引方式帶來的主要缺點在于，駕駛室低矮，車身往往較長，引起離地間隙低、接近角小，并需要采用特殊的傳動和控制部件。通過性、地面多種勤務的適應性較差，制造成本較高。

聯機裝置(機輪夾持-舉升機構)是無桿式飛機牽引車的重要組成部分，按其結構及原理的分類如圖4所示,典型結構如圖5所示。

傳動系統的發展與變革

飛機牽引車傳動方式的發展經歷了機械傳動、液力傳動、液壓傳動到電傳動。純機械傳動已成為歷史，電傳動由于部分關鍵配套件達不到實用程度也應用較少。目前的飛機牽引車大部分采用液力傳動和液壓傳動方式，并有向后者發展的趨勢。隨著液壓技術的發展，近年來，各國生產的飛機牽引車中采用液壓傳動的已有顯著增加。

機械傳動

曾一度被用于飛機牽引車，但很快被淘汰，主要原因：

1. 駕駛操作時會產生換擋沖擊；
2. 車身高，通常采用較長的牽引桿，調度不靈活；
3. 全輪驅動時，傳動系統功率損失大，輪胎快速磨損。

液力傳動

由液力變矩器和機械齒輪變速器構成，技術成熟，是較普及的傳動方式，操作簡便，自動換擋，減少了換擋沖擊。
缺點在于：

1. 液力變矩器的變矩較小，仍然存在齒輪變速器的傳動比突變問題；
2. 必須借助機械換擋裝置方可使車輛倒駛，借助摩擦制動裝置使車輛減速和停車，制動器使用頻繁，需要經常維修更換；
3. 液力傳動用于全輪驅動無桿式牽引車時，布置困難。

電力傳動

主要用于中小型無桿式牽引車，并向高功率方向發展。其代表為Lektro公司的電動無桿式飛機牽引車。早期的步行式飛機牽引車驅動電機功率僅為7.5kW，而目前的新型電動無桿式牽引車驅動電機功率已達20kW。

液壓傳動

飛機牽引車采用液壓傳動具有優越性：

1. 采用閉式油路的液壓傳動可在由速度和牽引力構成的坐標系4個象限中連續變換工況（如圖6所示）；不僅能控制前進或倒退時的加速過程，也能實現動力制動。
2. 無級傳動具有良好的微動特性，穩定車速可小于0.5km/h，對接飛機更方便，對飛機前起落架沖擊很小。調速過程更主動，可以實現牽引車-飛機機組速度基本上僅取決于“油門”踏板的單一輸入指令。
3. 更合理的構型和更靈活的布局，能使飛機牽引車更好地滿足使用要求，特別是無桿式牽引車。
4. 具有低速大扭矩特性，符合起步需要，在節約能耗、減少排污和降低噪聲方面均優于液力傳動。

混合動力傳動

混合動力技術最初在飛機牽引車中的應用，是由于機場內很多環境對車輛排放的嚴格要求，目前油-電混合動力(雙動力)技術只限于中小型牽引車上使用。

1999年，第1輛混合動力飛機牽引車在美國被用于牽引運輸機。美國ISE公司改制的混合動力飛機牽引車在加州海軍基地試驗成功。幾年后，Enova公司又成功地把燃料電池驅動系統應用于飛機牽引車。德國MULAG公司和VOLK公司，分別于2004年展出了串聯混合動力飛機牽引車Comet 4H和合力飛機牽引車。后者更具特色，可以在5min內完成柴油發動機-發電機系統的拆卸。

中國農機所的王志研究員和福田-雷沃國際重工的武崇道等人，進行了并聯式油電混合動力飛機牽引車動力傳動系統模式和控制策略的相關理論研究。在民航飛機牽引車領域，由于配套元件、空間、技術限制等原因，目前還沒有混合動力形式的無桿式飛機牽引車出現。

新型傳動系統方案的提出

方案提出的背景

靜液傳動技術具有功率密度大、能防止發動機超負荷及可靠性高等優點。隨著液壓技術的迅速發展，更寬的無級變速范圍、更好的動力制動特性、更優越的過載保護和變矩器所沒有的連續變換輸出動力(大小和方向)的能力，使液壓傳動方式正逐漸成為大中型飛機牽引車的主流傳動方式。

隨著世界范圍內工業技術的迅速發展，日趨嚴重的能源短缺和環境污染問題已成為制約社會可持續發展的關鍵因素。混合動力系統成為目前切實可行的減少能源消耗和降低排放的首選技術。混合動力系統分為電動混合動力系統和液壓混合動力系統。飛機牽引車負載質量大，速度較低，尤其對于大中型飛機牽引車，液壓驅動混合動力技術成為最合適的驅動方式。

靜液驅動混合動力系統是基于二次調節靜液傳動技術而形成的一種新型混合動力系統，該技術在車輛傳動中的應用取得了重大進展。該系統利用液壓泵/馬達可工作于四象限的特點，回收傳統車輛難以利用的制動動能，存儲于高壓液壓蓄能器中，所回收的能量可在車輛起動和加速過程中提供輔助功率，從而減小發動機的裝機功率，降低油耗，減少排放。

靜液驅動混合動力系統的類型

根據系統的動力傳遞和分配方式，靜液傳動混合動力車輛可分為串聯式、并聯式、混聯式和輪邊驅動式4種。

串聯式系統由發動機、液壓泵/馬達、液壓蓄能器和變量泵等動力裝置以串聯的方式組成。發動機驅動恒壓變量泵為系統提供恒壓動力油源，液壓泵/馬達作為執行元件驅動車輛行駛。

并聯式采用發動機和液壓泵/馬達兩套驅動系統，有發動機單獨驅動、液壓泵/馬達單獨驅動或發動機和液壓泵/馬達聯合驅動3種工作模式。

混聯式混合動力系統是串聯式結構與并聯式結構的綜合。理論上最容易實現性能最優，但系統過于復雜，受到很大限制。

輪邊驅動式屬于串聯混合動力系統（如圖7所示），驅動元件直接與車輪連接，工作模式更多樣化，節油效果和駕駛性能也更加優越。適用于飛機牽引車等。

液壓輪邊驅動混合動力方案分析

在無桿式飛機牽引車中采用液驅混合動力技術，具有更好的適用條件：

1. 液驅混合動力汽車可以利用二次元件向液壓蓄能器儲存能量來回收車輛的制動動能，采用蓄能器參與提供車輛的峰值功率以減小發動機的裝機功率，從而提高車輛的經濟性指標；因可選用較小功率的發動機而減少了排放和污染。飛機牽引車整體質量大，空間布置較自由，可更好地發揮液壓蓄能器的優勢。

2. 牽引飛機起步時，需要短時低速大功率驅動；轉彎時速度降低，阻力增大。這兩種工況恰好利用液壓蓄能器充放能量多、釋放能量速度快的優勢，可增加車輛的短時牽引動力。

3. 液驅混合動力具有實時無級變速特性，可使發動機盡量工作于最佳燃油經濟區，以降低燃油消耗。

4. 液壓蓄能器儲存的能量可以在飛機牽引車發生意外或故障時作為釋放夾持一舉升機構以及使牽引車駛離飛機一定距離的能源。

液驅混合動力尚待解決的問題

飛機牽引車對液驅混合動力系統的性能及控制精度要求非常高，急需解決的主要問題：

1. 優化混合動力系統及關鍵元件的參數，使之具有較好的效率、合理的工作壽命與成本。分析各工況下系統性能和效率的影響因素，并進行系統特性分析。

2. 研究混合動力系統控制的(自適應)方法，保證系統的傳動效率與可靠性；研究液壓蓄能器回收及釋放能量控制策略，確定合理高效的控制策略和控制參數。

3. 以使發動機盡量工作于最佳燃油經濟區和車速穩定為綜合目標，合理利用再生能量，使系統的整體經濟性更好。

展望

飛機牽引車經歷了從有桿式到無桿式牽引、從機械傳動到液力傳動的發展歷程，未來將向著中小型電力傳動、大中型液壓驅動方向發展。靜液傳動混合動力系統由于具有布置方便、能量循環效率高、排放低、操控簡便等優點，在相當長的一段時間內，會成為大中型飛機牽引車的主流技術。

采用高技術起點的液壓傳動(液壓驅動)混合動力技術，以我國自主研發“大飛機”項目為契機，研發完全自主知識產權的具有世界先進水平的飛機牽引車，具有重要的政治意義、理論價值和實際應用價值。

作者： 閆岷 趙立軍 姜繼海 劉濤