狹窄安裝環(huán)境下大行程升降機構的設計

陳麟，曾顯智，，耿愛農，李辛沫，王大承，陳振杰

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狹窄安裝環(huán)境下大行程升降機構的設計

陳麟1，曾顯智1，2，耿愛農1，李辛沫1，王大承1，陳振杰2

（1. 五邑大學 機電工程學院，廣東 江門 529020；2. 江門市匯霖電子科技有限公司，廣東 江門 529085）

為滿足狹窄安裝環(huán)境下大行程升降機構的需求，本文設計了一種適配電動桌的緊湊型大行程升降機構，在傳統(tǒng)螺桿/螺母升降副的基礎上借助鋼絲拉索機構實現(xiàn)了大行程兩級升降，并借助分析軟件ANSYS對該升降機構進行了穩(wěn)定性分析. 樣機運行實驗表明：新型升降機構能在狹窄的筒柱狀桌腿內進行配裝并穩(wěn)定運行，其升降比接近2.5:1，是同類采用傳統(tǒng)螺桿/螺母升降機構的1.5倍；基于該新型升降機構的電動桌，其桌面可在至的高度區(qū)間內任意調節(jié)，其承重載荷可達，能滿足該類產品的使用要求.

升降機構；緊湊型；大行程；電動桌

升降機構是能按要求沿指定方向升高或降低的裝置[1-5]，主要應用于升降平臺、起重機構等機械裝置中. 升降機構主要利用螺旋機構、液壓裝置、氣動裝置、折疊式收納結構等來實現(xiàn)伸長或縮短，但傳統(tǒng)的螺旋副升降機構升幅行程較小，液壓裝置則因攜帶液態(tài)油一般被禁止在室內使用，氣動裝置由于產生氣源的壓縮機存在噪聲和振動而受到使用限制，折疊式收納結構則需要較大安裝空間，因此，對于一些需要安裝在狹窄空間同時又需要較大行程的物件上，傳統(tǒng)的升降機構難以滿足要求. 鑒于此，本文以應用于電動桌的升降機構為例提出一種采用兩級升降的緊湊型大行程升降機構，通過結構創(chuàng)新實現(xiàn)目標電動桌的大幅值升降.

1 升降機構的結構及工作原理

1.1 總體結構

該升降機構安裝在桌腿內部的狹窄空間，實現(xiàn)桌子的自動升降（見圖1）. 其中桌腿由地腳、大筒、中筒和小筒組成，大筒與地腳相連、小筒與桌面相連. 升降機構的驅動有2種方案：方案1采用一個驅動電機（如圖1-a），該電機被安裝在桌板底面并通過同步帶同時驅動兩條桌腿內的升降機構，這種方案依靠機械精度保證兩桌腿的同步升降，可靠性較好且成本相對低廉；方案2采用雙電機驅動（如圖1-b），即在每一條桌腿內均設置一個電機，每個電機單獨驅動所配升降機構，這種方案依賴控制設計來確保兩桌腿的同步升降，其特點是對電控部分要求較高，但是由于每條桌腿及其升降機構為獨立部件，在生產、運輸、裝配等方面均具有較大優(yōu)勢，是目前國外電動升降桌采用的主流方案.

a.單電機同步帶方案 b.雙電機方案

該升降機構結構如圖2所示，其組成部分有螺桿、螺母、滑塊、鋼絲拉索、滾輪、U型槽板、上導塊、下導塊、鎖緊塊、背板和底板等. 螺桿與螺母轉動配合并構成傳統(tǒng)的升降單元，其中螺母支撐在U型槽板的一端，螺桿的下端連接有滑塊，螺桿轉動時滑塊跟隨移動并受U型槽板的直線約束. 在U型槽板的兩端各配裝有一對滾輪，鋼絲拉索緊繃地套裝在滾輪的環(huán)形凹槽內并形成周長不變的環(huán)形回路，鋼絲拉索的某個部位被緊定連接在滑塊上并跟隨滑塊一起運動，鋼絲拉索的另一部位緊固連接在鎖緊塊上而成為不動端，所述鎖緊塊與背板的上端緊固連接. 由滑塊、鋼絲拉索、滾輪、U型槽板、背板和鎖緊塊構成第二級升降單元. 上述升降機構被配裝在大筒、中筒和小筒內. 其中大筒與底板緊固連接，中筒內嵌在大筒之內，中筒的外壁面與大筒的內壁面組成滑動導向升降副，中筒與下導塊連接并跟隨該導塊一起運動；小筒內嵌在中筒內，小筒的外壁面與中筒的內壁面組成滑動導向升降副，小筒與螺桿一起運動.

a.正面 b.背面

1.2 工作原理

新型升降機構采用電機驅動. 電機的輸出端經過減速裝置后或直接與螺桿上端連接、或通過同步帶間接與螺桿上端連接. 螺桿與螺母螺旋配合，當螺桿轉動上升時，螺桿會相對于螺母產生軸向位移，從而形成第一級伸長；與此同時，螺桿的下端帶動滑塊一起移動，進而由滑塊帶動鋼絲拉索移動；當鋼絲拉索移動時，由于其被緊固在鎖緊塊上，此時安裝在U型槽板下端的滾輪成為動滑輪并被鋼絲拉索拉抬，從而將U型槽板向上抬升，于是U型槽板相對于背板產生升降位移，由此形成第二級伸長，于是桌面在上述兩級伸長的驅動作用下被逐步抬高. 同理，當電機反轉時螺桿亦反轉，此時螺桿、U型槽板和背板處在收縮狀態(tài)，桌面隨之下降. 注意到螺母與U型槽板一起運動，因此是螺桿、U型槽板和背板的長度構成了本機構的升降空間，其中小筒跟隨螺桿一起運動、中筒跟隨U型槽板一起運動、而大筒則與背板固定不動，升降機構工作時小筒相對于中筒、中筒相對于大筒均有升降動作，同時這三大筒件還起到裝飾的作用. 圖3是螺桿外伸時螺桿、U型槽板、背板形成相對升降的狀態(tài)圖. 可以看到，除去必要的安裝和導向空間，本文設計的升降機構的升降比接近2.5:1，幾乎是同類采用傳統(tǒng)螺桿/螺母升降機構的1.5倍.

升降最短 升降最長

1.3 設計要求

為了保證升降機構在運轉過程中達到平穩(wěn)靜音的效果，本設計考慮了下面幾點細節(jié)：1）導塊采用塑料制作，并在不影響機構升降行程的前提下盡可能增加其導向長度；2）在鋼絲與滑塊接觸點以及鋼絲與鎖緊塊連接點處設置有調整銅片，銅片的良好延展性可在受壓力情況下產生一定范圍的形變，不僅可以增大零件間的接觸面積和摩擦力，也減輕了受力部件的應力，從而可以很好地削減應力集中；3）機構的大筒與中筒、中筒與小筒之間的間隙采用環(huán)狀塑料片填充，該設計可減小運轉過程中產生的晃動，同時也具有除噪功能.

1.4 主要設計參數(shù)

針對目標產品的特定要求給定設計參數(shù)如下：1）電動桌上極限高度為，下極限高度為，桌板厚度為；2）桌面承載荷：單邊最大載荷；3）升降速度：；4）同步控制：兩桌腿同步升降，當高差超過時自動修正；5）桌面水平度：桌面最大傾角小于；6）高度顯示：升降同時顯示當前高度；7）位置記憶：至少2個常用高度記憶；8）過載保護：當加載過大時能自動斷電保護；9）極限位置通斷保護功能：運行到上、低下極限高度時，自行通斷；10）復位功能：遇突然斷電，啟動后能續(xù)點運動；11）遙控操作.

需要說明的是，升降系統(tǒng)采用霍爾傳感器作為極限位置通斷元件以，其原理為：在升降機構的開始和終止極限位置分別安裝小型永久磁鐵，在相對升降機構靜止的外筒內壁布置霍爾傳感器. 當機構運動到指定位置時，霍爾傳感器在磁場作用下產生霍爾電壓，經集成電路中的放大器放大形成較強的輸出信號并把該信號傳送到控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)驅動實現(xiàn)電源的斷開，從而保護機構與電源，同時在極限位置的時候對高度顯示進行清零處理以消除兩桌腿在運行當中產生的累積誤差.

2 新型升降機構穩(wěn)定性分析

在運行過程中，各組成件的變形及振動對機構的運動穩(wěn)定性影響較大. 為分析升降機構的穩(wěn)定性，本文借助工程仿真軟件ANSYS[7]對其進行有限元仿真計算. 在SOLIDWORKS軟件中建好模型，轉化成.X_T文件導入ANSYS中[8]. 升降機構的穩(wěn)定性主要由螺桿、U型槽板和背板等3大主要受力部件決定. 為了簡化分析過程以提高處理效率，在前處理中對U型槽板等3個部件直接采用危險截面建模. 零件材料均為45號鋼，在常溫狀態(tài)下其彈性模量為，密度為，強度極限為，泊松比是0.269. 定義完單元屬性后，采用SOLID285單元劃分網格自動產生有限元模型，其中螺桿共劃分個節(jié)點和個單元，U型槽板共劃分個節(jié)點和個單元，背板共劃分個節(jié)點和個單元. 螺桿與螺母螺旋配合，受到軸向最大載荷. 螺母與U型槽板連接，由于力的傳遞性，U型槽板主要受到鋼絲拉索的預緊力以及桌面載荷作用，其軸向載荷約為，背板主要受桌面承載荷作用，其軸向載荷約為. 將各零件所受載荷及約束施加到有限元模型當中后用求解器求解模型，得出螺桿、U型槽板和背板模型中最大應力依舊遠遠小于材料的許用應力，即該升降機構滿足強度條件. 與上述設計過程中得出的結果相符，該升降機構強度足夠.

設置Analysis Type為Modal. 采用SOLID285單元劃分網格自動產生有限元模型，利用ANSYS軟件提供的分塊Lancados法（缺省提取法）對升降機構中螺桿、U型槽板和背板模型進行模態(tài)計算，則各零件模型的五階固有頻率如表1所示.

表1 升降機構關鍵零部件固有頻率

3 結束語

本文設計了一種新型大行程升降機構，在傳統(tǒng)螺旋升降機構的基礎上，借助繩索拉伸裝置使機構的升降幅度得以大幅拓展，其升降比幾乎達到傳統(tǒng)螺旋升降比的1.5倍，實現(xiàn)了電動桌大升降比的升降幅值要求. 該升降機構方案合理，結構緊湊，尤能適配一些安裝環(huán)境狹窄的產品上，應用范圍較廣. 該新型升降機構已經做出樣機，實際應用情況表明，該機構能夠達到預期的升降幅度，并能可靠穩(wěn)定地運行. 與設計初設想基本符合，由此證實了該機構方案的可行性.

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[責任編輯：韋 韜]

Design of Large Travel Lifting Mechanism to Be Installed in a Narrow Environment

CHENLin1, ZENGXian-zhi1,2, GENGAi-nong1, LIXin-mo1, WANGDa-cheng1, CHENZhen-jie2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;2. Jiangmen Hui Lin Electronic Technology Co. Ltd., Jiangmen 529085, China)

In order to meet the requirements of large stroke lifting mechanisms to be installed in a narrow space, this study designs a compact large stroke lifting mechanism suitable for electric tables. On the basis of conventional screw / nut lifting pair, large travel two-stage lifting is achieved using a wire cable mechanism. An analysis of the stability of the lifting mechanism is made using the software ANSYS. The prototype running testing shows the new lifting mechanism can be installed in the narrow cylinder-shaped table legs and runs stably. The lifting ratio is close to 2.5:1 and is 1.5 times of the conventional screw / nut lifting mechanism; the tabletop of the electric table fitted with the lifting mechanism can be adjusted at random between the height of 700 mm and 1700 mm, and its bearing load can be up to 1500 N and can meet the requirements for such products.

lifting mechanisms; compact types; large stroke; electric tables

1006-7302（2015）01-0054-05

TG502.3

A

2014-09-28

2014年廣東省本科高校教學質量與教學改革工程—大學生實踐教學基地項目【粵教高函[2014]97】；五邑大學本科“3+1”培養(yǎng)模式綜合實驗班畢業(yè)設計課題.

陳麟（1990—），男，江西吉安人，在讀碩士生，研究方向為機械設計；耿愛農，教授，碩士，碩士生導師，通信作者，研究方向為發(fā)動機節(jié)能減排技術、發(fā)動機中氣體流動數(shù)值計算分析以及壓縮機減摩技術與密封結構.