一種機(jī)動(dòng)式車載天線升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2020-3-10 來(lái)源： 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 作者：矯 海
摘 要: 基于車載天線需要升降的需求，設(shè)計(jì)了一種天線升降機(jī)構(gòu)。對(duì)天線升降機(jī)構(gòu)的類型及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，介紹了絲杠絲母機(jī)械傳動(dòng)升降機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)組成及工作原理，完成了驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)防逆轉(zhuǎn)的超越離合器進(jìn)行了設(shè)計(jì)選型，對(duì)關(guān)鍵承載部件進(jìn)行了力學(xué)仿真分析。該升降機(jī)構(gòu)已在多個(gè)產(chǎn)品中使用，應(yīng)用結(jié)果表明，該升降機(jī)構(gòu)操作簡(jiǎn)單、方便、快捷，滿足使用要求。
關(guān)鍵詞: 升降機(jī)構(gòu); 絲杠; 升降平臺(tái); 有限元分析
0 引言
在許多應(yīng)用場(chǎng)合，車載天線要安裝在盡可能高的車頂，滿足天線的工作需求，而非工作狀態(tài)，要把車載天線收到車內(nèi)，滿足公路、鐵路和空運(yùn)等對(duì)車外形限制條件。因此，需有一套升降機(jī)構(gòu)來(lái)?yè)?dān)負(fù)天線的架設(shè)和撤收任務(wù)。機(jī)械式升降機(jī)構(gòu)作為天線系統(tǒng)的工作平臺(tái)，能在有限的空間及高承載要求的前提下，滿足剛度、強(qiáng)度要求，達(dá)到較高的可靠性和較好的維修性。避免了液壓和鋼絲繩傳動(dòng)升降機(jī)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間工作而產(chǎn)生的安全隱患問(wèn)題。
采取有效合理的措施來(lái)保證設(shè)計(jì)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須解決的問(wèn)題。本文詳細(xì)介紹了機(jī)動(dòng)式車載天線升降機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程、關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算以及參數(shù)的選取，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，以期滿足系統(tǒng)要求，為拓展高強(qiáng)度承載力的升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。
1、 天線升降機(jī)構(gòu)特點(diǎn)分析
市場(chǎng)上常用的天線升降機(jī)構(gòu)主要有絲杠絲母機(jī)械傳動(dòng)、鋼絲繩傳動(dòng)和液壓系統(tǒng)傳動(dòng)等結(jié)構(gòu)。下面對(duì) 3 種類型的升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。
1．1 絲杠絲母機(jī)械傳動(dòng)
絲杠絲母機(jī)械傳動(dòng)的升降機(jī)構(gòu)由電機(jī)、減速機(jī)和絲杠絲母等組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)安全可靠。升降機(jī)構(gòu)主要執(zhí)行件也是負(fù)載承擔(dān)部件，絲杠絲母采用滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)，滾珠絲杠傳動(dòng)平穩(wěn)、效率高，且不易磨損。
在安全性方面，升降機(jī)構(gòu)采用通用的齒輪、絲杠絲母和傳動(dòng)軸等剛性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)可靠，受自然環(huán)境影響較小，滿足設(shè)備在各種環(huán)境下工作的要求。
天線在架設(shè)狀態(tài)下，天線升降機(jī)構(gòu)大部分結(jié)構(gòu)伸出到艙外。這樣，升降機(jī)構(gòu)需要滿足防沙塵、防淋雨、防鹽霧、防潮濕、防霉菌、高低溫工作儲(chǔ)存和振動(dòng)沖擊等的環(huán)境適應(yīng)性要求。升降機(jī)構(gòu)在環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)上采取了以下措施:
① 結(jié)構(gòu)上采用全密封設(shè)計(jì)。
② 在零部件材料選擇、零件材料表面處理技術(shù)和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這三方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。絲杠及緊固件選用不銹鋼材料;黑色金屬表面采用噴鋅或鍍鋅工藝，鋁材選用防銹鋁合金 LF21，表面陽(yáng)極氧化，銅材表面氧化，使用時(shí)定期涂抹潤(rùn)滑脂，電動(dòng)機(jī)和減速箱進(jìn)行密封設(shè)計(jì)，避免形成積水結(jié)構(gòu)。
③ 元器件和潤(rùn)滑油均考慮了高低溫要求，非金屬零件盡量采用膨脹系數(shù)小的材料。
④ 有鎖緊裝置使其在振動(dòng)沖擊環(huán)境下能夠正常使用。
1．2 鋼絲繩傳動(dòng)
鋼絲繩傳動(dòng)升降機(jī)構(gòu)的鋼絲繩易磨損，其壽命比滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)的升降機(jī)構(gòu)低很多。鋼絲繩結(jié)構(gòu)升降機(jī)構(gòu)屬于非剛性傳動(dòng)，在運(yùn)輸過(guò)程中鋼絲繩易被拉長(zhǎng)。拉長(zhǎng)后升降機(jī)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)爬行、蠕動(dòng)和不同步現(xiàn)象，鋼絲繩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也會(huì)發(fā)生鋼絲繩斷裂，造成升降機(jī)構(gòu)突然墜落等問(wèn)題。
在環(huán)境適應(yīng)性方面，不銹鋼鋼絲繩因其延伸率和硬度特性不適于牽引使用，升降機(jī)構(gòu)一般使用鍍鋅普碳鋼鋼絲繩，而鍍鋅鋼絲繩本身是無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間滿足三防要求的，必須有涂油措施，這就加大了設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)方面的負(fù)擔(dān)。
1．3 液壓系統(tǒng)傳動(dòng)
液壓傳動(dòng)升降機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)在可靠性方面有兩大缺點(diǎn):① 密封件隨著使用時(shí)間推移而老化造成密封失效，液壓系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)內(nèi)泄和外泄現(xiàn)象，這樣會(huì)影響產(chǎn)品的清潔度，液壓升降機(jī)構(gòu)的精度可靠性很難保證;② 液壓油的清潔度直接影響產(chǎn)品的功能，因?yàn)橐簤河椭械碾s質(zhì)可使液壓閥達(dá)不到其關(guān)開(kāi)能力。同時(shí)，液壓傳動(dòng)存在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)因元器件泄露、管路爆破而導(dǎo)致的典型安全隱患問(wèn)題。在環(huán)境適應(yīng)性方面，液壓升降機(jī)構(gòu)的密封件一般采用橡膠材質(zhì)，在高、低溫環(huán)境下會(huì)加速其老化，影響液壓系統(tǒng)的密封性;另外，液壓油受高低溫影響需要在季節(jié)更替時(shí)更換不同型號(hào)的液壓油。
綜上所述，絲杠絲母機(jī)械傳動(dòng)式升降機(jī)構(gòu)有許多優(yōu)點(diǎn)。本文介紹的天線升降機(jī)構(gòu)滾珠絲杠副基本參數(shù)為:導(dǎo)程 10 mm，公稱直徑 63 mm，單頭螺紋，滾珠直徑 5．953 mm;材料:GCr15;熱處理:絲杠絲母滾道硬度為 56－62HＲC，滾珠 58－63HＲC，深度要求:沿滾道法向表面有效硬化層深度 1．0 mm，公差等級(jí)10 級(jí)，執(zhí)行 GB / T17587—1998 標(biāo)準(zhǔn)。此參數(shù)滾珠絲杠副當(dāng)垂直使用，動(dòng)額定負(fù)載 1 200 kg 以上，可靠性次數(shù) 700 000 次以上，壽命 15 年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天線升降機(jī)構(gòu)對(duì)絲杠絲母的要求。天線升降機(jī)構(gòu)其他齒輪系傳動(dòng)基本均是通用傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，零部件和整件的可靠性指標(biāo)均不小于產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。
2 、整體布局與設(shè)計(jì)計(jì)算
2．1 系統(tǒng)組成及工作原理
天線升降機(jī)構(gòu)采用絲杠傳動(dòng)，整個(gè)機(jī)構(gòu)含有控制裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、限位鎖緊裝置和密封屏蔽裝置等。主要由頂板、天線升降平臺(tái)、底板、滾珠絲杠螺母組、電機(jī)及減速機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)、T 型換向器、手搖裝置和排水裝置等組成，如圖 1所示。
圖 1 天線升降機(jī)構(gòu)外形
交流異步電機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)過(guò)減速機(jī)降低轉(zhuǎn)速，傳送動(dòng)力給 T 型換向器轉(zhuǎn)換動(dòng)力方向，再將動(dòng)力輸送給升降裝置，升降裝置帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，4 個(gè)固定在升降平臺(tái)底部的螺母帶動(dòng)升降平臺(tái)做軸向移動(dòng)，完成升降動(dòng)作，如圖 2 所示。
圖 2 天線升降機(jī)構(gòu)原理
2．2 設(shè)計(jì)計(jì)算
2．2．1 設(shè)計(jì)需求
升降機(jī)構(gòu)動(dòng)力供電 AC 380 V(三相三線)，設(shè)計(jì)起升重量 800 kg;初步估算升降平臺(tái)自重 350 kg;根據(jù)運(yùn)輸車輛方艙的內(nèi)部空間尺寸確定升降行程1 950 mm;要求起升時(shí)間 7 min。參考設(shè)計(jì)資料選擇絲杠的規(guī)格尺寸參數(shù)，確定選擇絲杠直徑 63 mm，絲杠螺距 10 mm(導(dǎo)程)的滾珠絲杠作為傳動(dòng)介質(zhì);動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)選定 AC 380 V 供電，功率 750 W，轉(zhuǎn)速1 470 r/min的電機(jī)。
2．2．2 減速機(jī)減速比計(jì)算
依據(jù)設(shè)計(jì)需求參數(shù)，進(jìn)行環(huán)環(huán)相扣的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程。從電機(jī)的高轉(zhuǎn)速到絲杠的緩速平穩(wěn)上升過(guò)程需要減速機(jī)的降速設(shè)計(jì)，選用合理適宜的減速機(jī)至關(guān)重要。
2．2．3 總功率核算
通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算確定了減速比，初步選定了電參數(shù)，此步驟要驗(yàn)證所選電機(jī)的功率能否滿足設(shè)計(jì)
要求。
2．2．4 總扭矩核算
電機(jī)功率確認(rèn)后，重要的一步是確認(rèn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩是否滿足設(shè)計(jì)要求。單根滾珠絲杠抬升重物的扭矩:
升降機(jī)的總扭矩值:
只有功率和扭矩 2 項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，才能最終確定電機(jī)的選擇準(zhǔn)確性。
3 、關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)及受力分析
3．1 滾珠絲杠副防逆轉(zhuǎn)措施
滾珠絲杠副由于傳動(dòng)效率高，不能自鎖，在用于垂直方位傳動(dòng)時(shí)，如果部件重量沒(méi)有平衡，必須防止當(dāng)傳動(dòng)停止或電機(jī)斷電后，因部件自重而產(chǎn)生的逆轉(zhuǎn)動(dòng)。防逆轉(zhuǎn)可以采用超越離合器或不能逆?zhèn)鲃?dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，也可以采用不能逆轉(zhuǎn)的傳動(dòng)裝置(如可以自鎖的蝸桿傳動(dòng)) 以及電磁或液壓制動(dòng)器。目前，國(guó)內(nèi)已有專業(yè)加工廠生產(chǎn)多種適合防止?jié)L珠絲杠副逆轉(zhuǎn)的超越離合器。
典型的單向 超 越離 合 器 結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn) 圖 如圖 3 所示 ，圖 3 中，1 表示外環(huán);2 表示滾柱;3 表示彈簧;4 表示星形輪( 內(nèi)環(huán)) 。當(dāng)星形輪 4( 內(nèi)環(huán)) 有順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)(即逆轉(zhuǎn))時(shí)，若在外環(huán) 1 上施加一個(gè)適當(dāng)?shù)淖枇兀煞乐古c內(nèi)環(huán) 4 裝在一起的滾珠絲杠順時(shí)針?lè)较蚰孓D(zhuǎn)，而只允許絲杠作逆時(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)動(dòng)。
圖 3 單向超越離合器
當(dāng)要防止?jié)L珠絲杠副雙向逆轉(zhuǎn)時(shí)可以采用圖4 所示的結(jié)構(gòu)。圖 4 中，1 表示滾珠絲杠;2 表示滾珠螺母;3 和 4 表示摩擦片;5 和 6 表示單向離合器;G 表示作用于滾珠螺母 2 部件的重力;G1 表示作用在部件 2 上的平衡力。當(dāng) G－G1＞0 時(shí)，則摩擦片 3 和單向離合器 5 就起制動(dòng)作用，從而制止?jié)L珠螺母向下移動(dòng);當(dāng) G－G1＜0 時(shí)，摩擦片 4 和單向離合器 6 就起制動(dòng)作用，制止?jié)L珠螺母向上移動(dòng) 。
圖 4 使用 2 個(gè)單向離合器防止逆轉(zhuǎn)動(dòng)
選擇防逆轉(zhuǎn)離合器的主要技術(shù)要求如下:
④ 規(guī)定離合器的鎖止或解脫方向，并與電機(jī)轉(zhuǎn)向適配。
⑤ 確定連接形式及連接尺寸。
定型產(chǎn)品 CKEA 型單向楔塊超越離合器如圖 5所示，內(nèi)外環(huán)均采用鍵連接。離合器傳遞轉(zhuǎn)矩為 30～1 000 N·m，傳動(dòng)效率達(dá) 94% ～ 98%。
圖 5 單向楔塊超越離合器
3．2 升降平臺(tái)設(shè)計(jì)
零件設(shè)計(jì)是整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是整體裝配和仿 真分 析 的 前提，利 用 Solidworks 軟 件 的掃描、旋轉(zhuǎn)、拉伸和除料等命令，生成天線升降平臺(tái)的三維實(shí)體模型，如圖 6 所示。與其他零部件匯總裝配起來(lái)，檢測(cè)出設(shè)備各種工作狀態(tài)下是否干涉，提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，縮短設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低設(shè)計(jì)成本。整體裝配圖如圖 7 所示。
圖 6 升降平臺(tái)模型
圖 7 整體裝配圖
3．3 升降平臺(tái)受力分析
使用 ANSYS 對(duì)升降機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵承載部件升降平臺(tái)進(jìn)行力學(xué)仿真分析，考察其在升降過(guò)程中是否滿足剛強(qiáng)度要求。
首先托盤(pán)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后對(duì)模型施加約束、載荷等邊界條件，并分配材料參數(shù)，最后進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得到的變形云圖如圖 8 所示，應(yīng)力云圖如圖 9 所示。
圖 8 升降平臺(tái)變形云圖
圖 9 托盤(pán)應(yīng)力云圖
升降平臺(tái)的材料為 Q345，彈性模量為 210 GPa，泊松比為 0．28，屈服強(qiáng)度為 345 MPa，質(zhì)量密度為7 700 kg / m3。從圖 8 的變形分析云圖中可以看出，最大變形發(fā)生在天線座承載處，最 大 變形為0．21 mm，變形在所選材料的彈性變形范圍內(nèi)，說(shuō)明托盤(pán)在加速升降過(guò)程中只發(fā)生彈性變形，沒(méi)發(fā)生塑性變形，加速后材料能夠回復(fù)初始狀態(tài)。從圖 9 的應(yīng)力分析云圖中可以看出，托盤(pán)的最大應(yīng)力發(fā)生在固定孔處，最大值為 49．87 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，說(shuō)明所選材料性能滿足使用要求，并且存在較大的優(yōu)化空問(wèn)。
升降機(jī)構(gòu)是基于承受大承載 800 kg 天線的目的設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，在使用過(guò)程中，該升降機(jī)構(gòu)已無(wú)故障升降 300 多次，使用時(shí)間已超過(guò) 2 年，穩(wěn)定可靠。結(jié)合設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用，在適當(dāng)?shù)木S護(hù)保養(yǎng)前提下，該升降機(jī)構(gòu)使用壽命可達(dá)到 10 年，滿足工況要求。在保證體系架構(gòu)不變的情況下，通過(guò)加大電機(jī)功率、增粗絲杠直徑、加大絲母的直徑，就可提高升降機(jī)構(gòu)承載能力，可達(dá)到 2 000 kg 以上，為日益發(fā)展的大型天線配套服務(wù)。
4 、結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算及仿真分析，該機(jī)動(dòng)式車載天線升降機(jī)構(gòu)能夠滿足軍用通信指揮車輛和民用特種車輛對(duì)移動(dòng)式天線的工作要求。運(yùn)輸狀態(tài)下，升降機(jī)構(gòu)可快速將天線降到方艙艙體內(nèi)，降低載車的重心，保證公路行駛的平穩(wěn)性和安全性，同時(shí)滿足鐵路運(yùn)輸限高要求。工作展開(kāi)時(shí)，天線升降平穩(wěn)迅速，加速無(wú)顫動(dòng)，定位精度高。目前，該升降機(jī)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于軍用方艙內(nèi)，操作簡(jiǎn)單，使用穩(wěn)定可靠，對(duì)于同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。
作者簡(jiǎn)介：矯 海 男，(1969—)，畢業(yè)于河北機(jī)電學(xué)院機(jī)械制造工藝與設(shè)備專業(yè)，工程師。主要研究方向:機(jī)械傳動(dòng)和電子設(shè)備及車輛方艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
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