飞机牵引车结构及动力传动系统的发展

飞机牵引车作为重要的机场地面支持保障车辆，主要用来在机场的跑道、滑行道和停机坪等处牵引或顶推飞机移动，在民用和军用领域都起着不可替代的重要作用。随着航空运输业的不断发展，飞机数量、体积、质量的不断增加。对飞机牵引车的要求也越来越高。新技术和新的设计思想被不断应用到飞机牵引车中，如无杆式牵引(抱轮)技术、电力驱动及传动技术、混合动力技术等，从而带来飞机牵引车结构和动力系统的不断发展和变革。

飞机牵引车的分类

按照牵引能力分类，牵引力小于150 kN为小型牵引车，150～250 kN之间为中型牵引车，250 kN以上为大型牵引车。

按照牵引方式，可分为有杆式(常规或传统)和无杆式。有杆牵引通过牵引杆连接飞机与牵引车，从而实现牵引或顶推作业。无杆牵引通过夹持-举升装置将飞机的前起落架驮载(又称驮负)到牵引车上。

按照结构特点和牵引技术，可分为4代产品：

• 第l代：驾驶室高于车体以保证视野，全轮驱动以保证附着条件，有杆牵引，配重；
• 第2代：驾驶室高度与车体齐平(或可升降)，便于通过机身下方，有杆牵引，配重；
• 第3代：车体加宽，无杆牵引，两后轮之间设有夹持-举升机轮通道，后驱动轮承载飞机前轮，不必额外配重，机动灵活；
• 第4代：夹持．举升机构靠近前轮轴线，前驱动轮承载飞机前轮，前轮特别加大且仅用作驱动轮，后轮辅助承载并转向，转弯更加轻便灵活；

牵引方式的发展与变革

飞机牵引杆是刚性的，中间带有缓冲和调节装置，在牵引飞机过程中，若飞机转弯过度，将切断扭力剪切销而起到保护飞机的作用。但其灵活机动性、安全性和通用性较差，车身较重。

无杆式飞机牵引车(towbaless tractor，简称TLT)出现于20世纪70年代，经过近30年的发展，已经趋于成熟并被普遍应用。无杆式牵引车是将牵引杆及负责牵引杆挂接的人的作用集成到牵引车的联机装置——夹持-举升机构上。常规飞机牵引车和无杆式飞机牵引车的外观及结构对比如图l所示。

图2给出了飞机牵引车的几种基本形态和作业状态。

无杆牵引技术源于军事航空，起初用于调度舰载机，增强飞机的快速反应能力。美英的航母和大型两栖攻击舰上都普遍使用无杆式牵引车。

国外20世纪80年代后出现的大型全功能无杆牵引车，已可用30km/h的高速安全牵引400t的巨型客机，在作业效率、安全性等方面取得了良好的成绩，经济效益明显，在欧美国家已普遍使用。最新问世的B777型飞机甚至在前起落架上专门设计了供TLT联接的装置。

飞机牵引车与飞机的作用关系如图3所示。

无杆牵引方式的主要优点有：

1. 牵重比(牵引质量比)大，可高达20，而常规飞机牵引车仅在5~10之间；
2. 牵引车自重较小，能耗和材料更少，空载行驶能耗和排放更低；
3. 飞机-牵引车机组长度显著缩短，调度飞机更为灵活准确，可达到更高的速度；
4. 驾驶员一人即可完成全部操作，免除了牵引杆的摘挂操作、以及购置、保管、维修费用和存放场地，以及运输和存放各型飞机的专用牵引杆的时间。

无杆牵引方式带来的主要缺点在于，驾驶室低矮，车身往往较长，引起离地间隙低、接近角小，并需要采用特殊的传动和控制部件。通过性、地面多种勤务的适应性较差，制造成本较高。

联机装置(机轮夹持-举升机构)是无杆式飞机牵引车的重要组成部分，按其结构及原理的分类如图4所示,典型结构如图5所示。

传动系统的发展与变革

飞机牵引车传动方式的发展经历了机械传动、液力传动、液压传动到电传动。纯机械传动已成为历史，电传动由于部分关键配套件达不到实用程度也应用较少。目前的飞机牵引车大部分采用液力传动和液压传动方式，并有向后者发展的趋势。随着液压技术的发展，近年来，各国生产的飞机牵引车中采用液压传动的已有显著增加。

机械传动

曾一度被用于飞机牵引车，但很快被淘汰，主要原因：

1. 驾驶操作时会产生换挡冲击；
2. 车身高，通常采用较长的牵引杆，调度不灵活；
3. 全轮驱动时，传动系统功率损失大，轮胎快速磨损。

液力传动

由液力变矩器和机械齿轮变速器构成，技术成熟，是较普及的传动方式，操作简便，自动换挡，减少了换挡冲击。
缺点在于：

1. 液力变矩器的变矩较小，仍然存在齿轮变速器的传动比突变问题；
2. 必须借助机械换挡装置方可使车辆倒驶，借助摩擦制动装置使车辆减速和停车，制动器使用频繁，需要经常维修更换；
3. 液力传动用于全轮驱动无杆式牵引车时，布置困难。

电力传动

主要用于中小型无杆式牵引车，并向高功率方向发展。其代表为Lektro公司的电动无杆式飞机牵引车。早期的步行式飞机牵引车驱动电机功率仅为7.5kW，而目前的新型电动无杆式牵引车驱动电机功率已达20kW。

液压传动

飞机牵引车采用液压传动具有优越性：

1. 采用闭式油路的液压传动可在由速度和牵引力构成的坐标系4个象限中连续变换工况（如图6所示）；不仅能控制前进或倒退时的加速过程，也能实现动力制动。
2. 无级传动具有良好的微动特性，稳定车速可小于0.5km/h，对接飞机更方便，对飞机前起落架冲击很小。调速过程更主动，可以实现牵引车-飞机机组速度基本上仅取决于“油门”踏板的单一输入指令。
3. 更合理的构型和更灵活的布局，能使飞机牵引车更好地满足使用要求，特别是无杆式牵引车。
4. 具有低速大扭矩特性，符合起步需要，在节约能耗、减少排污和降低噪声方面均优于液力传动。

混合动力传动

混合动力技术最初在飞机牵引车中的应用，是由于机场内很多环境对车辆排放的严格要求，目前油-电混合动力(双动力)技术只限于中小型牵引车上使用。

1999年，第1辆混合动力飞机牵引车在美国被用于牵引运输机。美国ISE公司改制的混合动力飞机牵引车在加州海军基地试验成功。几年后，Enova公司又成功地把燃料电池驱动系统应用于飞机牵引车。德国MULAG公司和VOLK公司，分别于2004年展出了串联混合动力飞机牵引车Comet 4H和合力飞机牵引车。后者更具特色，可以在5min内完成柴油发动机-发电机系统的拆卸。

中国农机所的王志研究员和福田-雷沃国际重工的武崇道等人，进行了并联式油电混合动力飞机牵引车动力传动系统模式和控制策略的相关理论研究。在民航飞机牵引车领域，由于配套元件、空间、技术限制等原因，目前还没有混合动力形式的无杆式飞机牵引车出现。

新型传动系统方案的提出

方案提出的背景

静液传动技术具有功率密度大、能防止发动机超负荷及可靠性高等优点。随着液压技术的迅速发展，更宽的无级变速范围、更好的动力制动特性、更优越的过载保护和变矩器所没有的连续变换输出动力(大小和方向)的能力，使液压传动方式正逐渐成为大中型飞机牵引车的主流传动方式。

随着世界范围内工业技术的迅速发展，日趋严重的能源短缺和环境污染问题已成为制约社会可持续发展的关键因素。混合动力系统成为目前切实可行的减少能源消耗和降低排放的首选技术。混合动力系统分为电动混合动力系统和液压混合动力系统。飞机牵引车负载质量大，速度较低，尤其对于大中型飞机牵引车，液压驱动混合动力技术成为最合适的驱动方式。

静液驱动混合动力系统是基于二次调节静液传动技术而形成的一种新型混合动力系统，该技术在车辆传动中的应用取得了重大进展。该系统利用液压泵/马达可工作于四象限的特点，回收传统车辆难以利用的制动动能，存储于高压液压蓄能器中，所回收的能量可在车辆起动和加速过程中提供辅助功率，从而减小发动机的装机功率，降低油耗，减少排放。

静液驱动混合动力系统的类型

根据系统的动力传递和分配方式，静液传动混合动力车辆可分为串联式、并联式、混联式和轮边驱动式4种。

串联式系统由发动机、液压泵/马达、液压蓄能器和变量泵等动力装置以串联的方式组成。发动机驱动恒压变量泵为系统提供恒压动力油源，液压泵/马达作为执行元件驱动车辆行驶。

并联式采用发动机和液压泵/马达两套驱动系统，有发动机单独驱动、液压泵/马达单独驱动或发动机和液压泵/马达联合驱动3种工作模式。

混联式混合动力系统是串联式结构与并联式结构的综合。理论上最容易实现性能最优，但系统过于复杂，受到很大限制。

轮边驱动式属于串联混合动力系统（如图7所示），驱动元件直接与车轮连接，工作模式更多样化，节油效果和驾驶性能也更加优越。适用于飞机牵引车等。

液压轮边驱动混合动力方案分析

在无杆式飞机牵引车中采用液驱混合动力技术，具有更好的适用条件：

1. 液驱混合动力汽车可以利用二次元件向液压蓄能器储存能量来回收车辆的制动动能，采用蓄能器参与提供车辆的峰值功率以减小发动机的装机功率，从而提高车辆的经济性指标；因可选用较小功率的发动机而减少了排放和污染。飞机牵引车整体质量大，空间布置较自由，可更好地发挥液压蓄能器的优势。

2. 牵引飞机起步时，需要短时低速大功率驱动；转弯时速度降低，阻力增大。这两种工况恰好利用液压蓄能器充放能量多、释放能量速度快的优势，可增加车辆的短时牵引动力。

3. 液驱混合动力具有实时无级变速特性，可使发动机尽量工作于最佳燃油经济区，以降低燃油消耗。

4. 液压蓄能器储存的能量可以在飞机牵引车发生意外或故障时作为释放夹持一举升机构以及使牵引车驶离飞机一定距离的能源。

液驱混合动力尚待解决的问题

飞机牵引车对液驱混合动力系统的性能及控制精度要求非常高，急需解决的主要问题：

1. 优化混合动力系统及关键元件的参数，使之具有较好的效率、合理的工作寿命与成本。分析各工况下系统性能和效率的影响因素，并进行系统特性分析。

2. 研究混合动力系统控制的(自适应)方法，保证系统的传动效率与可靠性；研究液压蓄能器回收及释放能量控制策略，确定合理高效的控制策略和控制参数。

3. 以使发动机尽量工作于最佳燃油经济区和车速稳定为综合目标，合理利用再生能量，使系统的整体经济性更好。

展望

飞机牵引车经历了从有杆式到无杆式牵引、从机械传动到液力传动的发展历程，未来将向着中小型电力传动、大中型液压驱动方向发展。静液传动混合动力系统由于具有布置方便、能量循环效率高、排放低、操控简便等优点，在相当长的一段时间内，会成为大中型飞机牵引车的主流技术。

采用高技术起点的液压传动(液压驱动)混合动力技术，以我国自主研发“大飞机”项目为契机，研发完全自主知识产权的具有世界先进水平的飞机牵引车，具有重要的政治意义、理论价值和实际应用价值。

作者： 闫岷 赵立军 姜继海 刘涛