一種機動式車載天線升降機構(gòu)設計

矯 海

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

在許多應用場合，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、鐵路和空運等對車外形限制條件。因此，需有一套升降機構(gòu)來擔負天線的架設和撤收任務。機械式升降機構(gòu)作為天線系統(tǒng)的工作平臺，能在有限的空間及高承載要求的前提下，滿足剛度、強度要求，達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升降機構(gòu)長時間工作而產(chǎn)生的安全隱患問題。

采取有效合理的措施來保證設計指標的實現(xiàn)成為結(jié)構(gòu)設計人員必須解決的問題。本文詳細介紹了機動式車載天線升降機構(gòu)系統(tǒng)設計過程、關鍵部件的設計計算以及參數(shù)的選取，并進行了仿真驗證，以期滿足系統(tǒng)要求，為拓展高強度承載力的升降機構(gòu)設計打下基礎。

1 天線升降機構(gòu)特點分析

市場上常用的天線升降機構(gòu)主要有絲杠絲母機械傳動、鋼絲繩傳動和液壓系統(tǒng)傳動等結(jié)構(gòu)。下面對3種類型的升降機構(gòu)進行對比分析。

1.1 絲杠絲母機械傳動

絲杠絲母機械傳動的升降機構(gòu)由電機、減速機和絲杠絲母等組成，結(jié)構(gòu)簡單，傳動安全可靠。升降機構(gòu)主要執(zhí)行件也是負載承擔部件，絲杠絲母采用滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)，滾珠絲杠傳動平穩(wěn)、效率高，且不易磨損。

在安全性方面，升降機構(gòu)采用通用的齒輪、絲杠絲母和傳動軸等剛性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，傳動可靠，受自然環(huán)境影響較小，滿足設備在各種環(huán)境下工作的要求。

天線在架設狀態(tài)下，天線升降機構(gòu)大部分結(jié)構(gòu)伸出到艙外。這樣，升降機構(gòu)需要滿足防沙塵、防淋雨、防鹽霧、防潮濕、防霉菌、高低溫工作儲存和振動沖擊等的環(huán)境適應性要求。升降機構(gòu)在環(huán)境適應性設計上采取了以下措施：

① 結(jié)構(gòu)上采用全密封設計。

② 在零部件材料選擇、零件材料表面處理技術和合理的結(jié)構(gòu)設計這三方面進行設計。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，表面陽極氧化，銅材表面氧化，使用時定期涂抹潤滑脂，電動機和減速箱進行密封設計，避免形成積水結(jié)構(gòu)。

③ 元器件和潤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沖擊環(huán)境下能夠正常使用。

1.2 鋼絲繩傳動

鋼絲繩傳動升降機構(gòu)的鋼絲繩易磨損，其壽命比滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)的升降機構(gòu)低很多。鋼絲繩結(jié)構(gòu)升降機構(gòu)屬于非剛性傳動，在運輸過程中鋼絲繩易被拉長。拉長后升降機構(gòu)會出現(xiàn)爬行、蠕動和不同步現(xiàn)象，鋼絲繩傳動機構(gòu)也會發(fā)生鋼絲繩斷裂，造成升降機構(gòu)突然墜落等問題。

在環(huán)境適應性方面，不銹鋼鋼絲繩因其延伸率和硬度特性不適于牽引使用，升降機構(gòu)一般使用鍍鋅普碳鋼鋼絲繩，而鍍鋅鋼絲繩本身是無法長時間滿足三防要求的，必須有涂油措施，這就加大了設備維護保養(yǎng)方面的負擔。

1.3 液壓系統(tǒng)傳動

液壓傳動升降機構(gòu)的液壓系統(tǒng)在可靠性方面有兩大缺點：① 密封件隨著使用時間推移而老化造成密封失效，液壓系統(tǒng)會出現(xiàn)內(nèi)泄和外泄現(xiàn)象，這樣會影響產(chǎn)品的清潔度，液壓升降機構(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，因為液壓油中的雜質(zhì)可使液壓閥達不到其關開能力。同時，液壓傳動存在長時間工作時因元器件泄露、管路爆破而導致的典型安全隱患問題。

在環(huán)境適應性方面，液壓升降機構(gòu)的密封件一般采用橡膠材質(zhì)，在高、低溫環(huán)境下會加速其老化，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)更替時更換不同型號的液壓油。

綜上所述，絲杠絲母機械傳動式升降機構(gòu)有許多優(yōu)點。本文介紹的天線升降機構(gòu)滾珠絲杠副基本參數(shù)為：導程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10級，執(zhí)行GB/T17587—1998標準。此參數(shù)滾珠絲杠副當垂直使用，動額定負載1 200 kg以上，可靠性次數(shù)700 000次以上，壽命15年，遠遠大于天線升降機構(gòu)對絲杠絲母的要求。天線升降機構(gòu)其他齒輪系傳動基本均是通用傳動結(jié)構(gòu)，零部件和整件的可靠性指標均不小于產(chǎn)品的可靠性指標。

2 整體布局與設計計算

2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

天線升降機構(gòu)采用絲杠傳動，整個機構(gòu)含有控制裝置、驅(qū)動裝置、傳動裝置、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、底板、滾珠絲杠螺母組、電機及減速機驅(qū)動機構(gòu)、升降機、T型換向器、手搖裝置和排水裝置等組成[1]，如圖1所示。

圖1 天線升降機構(gòu)外形

交流異步電機提供動力，經(jīng)過減速機降低轉(zhuǎn)速，傳送動力給T型換向器轉(zhuǎn)換動力方向，再將動力輸送給升降裝置，升降裝置帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，4個固定在升降平臺底部的螺母帶動升降平臺做軸向移動，完成升降動作，如圖2所示。

圖2 天線升降機構(gòu)原理

2.2 設計計算

2.2.1 設計需求

升降機構(gòu)動力供電AC 380 V(三相三線)，設計起升重量800 kg；初步估算升降平臺自重350 kg；根據(jù)運輸車輛方艙的內(nèi)部空間尺寸確定升降行程1 950 mm；要求起升時間7 min。參考設計資料選擇絲杠的規(guī)格尺寸參數(shù)，確定選擇絲杠直徑63 mm，絲杠螺距10 mm(導程)的滾珠絲杠作為傳動介質(zhì)；動力驅(qū)動電機選定AC 380 V供電，功率750 W，轉(zhuǎn)速1 470 r/min的電機。

2.2.2 減速機減速比計算

依據(jù)設計需求參數(shù)，進行環(huán)環(huán)相扣的設計計算過程。從電機的高轉(zhuǎn)速到絲杠的緩速平穩(wěn)上升過程需要減速機的降速設計，選用合理適宜的減速機至關重要。

絲杠轉(zhuǎn)速：n1=H/L/t，

輸入轉(zhuǎn)數(shù)：n2=n1×i1×i2，

減速機傳動比：i≤r/n2，

式中，H為升降行程；L為絲杠螺距(導程)；t為起升時間；i1為升降裝置傳動比，i1=23/3(選取)；i2為T型換向器傳動比，i2=1只起換向功能；r為電機額定轉(zhuǎn)速。

2.2.3 總功率核算

通過設計計算確定了減速比，初步選定了電機參數(shù)，此步驟要驗證所選電機的功率能否滿足設計要求。

升降機輸入總功率：

P1=Fa×v/(η滾珠絲桿×η升降裝置)，

電機總功率(正常工況)：

式中，F(xiàn)a為升降平臺整體重量；η滾珠絲桿為滾珠絲杠傳輸效率；η升降裝置為升降裝置傳輸效率；ηT6為T型換向器傳輸效率；ηK37為減速機傳輸效率。

通過計算比較，若P(選定電機功率)>P總，說明所選電機功率滿足設計要求。

2.2.4 總扭矩核算

電機功率確認后，重要的一步是確認電機的驅(qū)動扭矩是否滿足設計要求。

單根滾珠絲杠抬升重物的扭矩：

T1=Fa×L/(2π×η滾珠絲桿)，

升降機的總扭矩值：

T3=(T1/i1/η升降裝置)×4，

電機扭矩(正常工況)：

T總=T3/(iK37×iT6)/(ηT6×ηK37)，

式中，iK37為減速機的傳動比；iT6為T型換向器傳動比。

通過計算比較：若T(選定電機扭矩)>T總，說明所選電機扭矩滿足設計要求。

只有功率和扭矩2項技術指標均滿足設計要求，才能最終確定電機的選擇準確性。

3 關鍵零部件設計及受力分析

3.1 滾珠絲杠副防逆轉(zhuǎn)措施

滾珠絲杠副由于傳動效率高，不能自鎖，在用于垂直方位傳動時，如果部件重量沒有平衡，必須防止當傳動停止或電機斷電后，因部件自重而產(chǎn)生的逆轉(zhuǎn)動。防逆轉(zhuǎn)可以采用超越離合器或不能逆?zhèn)鲃拥尿?qū)動電機，也可以采用不能逆轉(zhuǎn)的傳動裝置(如可以自鎖的蝸桿傳動)以及電磁或液壓制動器。目前，國內(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)簡圖如圖3所示[2]，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))。當星形輪4(內(nèi)環(huán))有順時針轉(zhuǎn)動的趨勢(即逆轉(zhuǎn))時，若在外環(huán)1上施加一個適當?shù)淖枇?，可防止與內(nèi)環(huán)4裝在一起的滾珠絲杠順時針方向逆轉(zhuǎn)，而只允許絲杠作逆時針方向的轉(zhuǎn)動。

圖3 單向超越離合器

當要防止?jié)L珠絲杠副雙向逆轉(zhuǎn)時可以采用圖4所示的結(jié)構(gòu)[3-4]。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G-G1>0時，則摩擦片3和單向離合器5就起制動作用，從而制止?jié)L珠螺母向下移動；當G-G1<0時，摩擦片4和單向離合器6就起制動作用，制止?jié)L珠螺母向上移動[5]。

圖4 使用2個單向離合器防止逆轉(zhuǎn)動

選擇防逆轉(zhuǎn)離合器的主要技術要求如下：

①Tc=K·Tmax≤Tn，其中Tmax為工作最大轉(zhuǎn)矩，Tn為防逆轉(zhuǎn)離合器公稱(或額定)轉(zhuǎn)矩，工況系數(shù)K，較平穩(wěn)載荷取1.25，較小沖擊取1.75，較大沖擊取2.5，劇烈沖擊取5。

② 絲杠軸的軸徑要與離合器的孔徑一致。

③ 絲杠軸的最高轉(zhuǎn)速nmax小于離合器的極限轉(zhuǎn)速。

④ 規(guī)定離合器的鎖止或解脫方向，并與電機轉(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，傳動效率達94%～98%。

圖5 單向楔塊超越離合器

3.2 升降平臺設計

零件設計是整體機構(gòu)設計的基礎，也是整體裝配和仿真分析的前提，利用Solidworks軟件的掃描[6]、旋轉(zhuǎn)、拉伸和除料等命令，生成天線升降平臺的三維實體模型，如圖6所示。與其他零部件匯總裝配起來，檢測出設備各種工作狀態(tài)下是否干涉，提高設計的準確性，縮短設計開發(fā)時間，降低設計成本。整體裝配圖如圖7所示。

圖7 整體裝配圖

3.3 升降平臺受力分析

使用ANSYS對升降機構(gòu)的關鍵承載部件升降平臺進行力學仿真分析，考察其在升降過程中是否滿足剛強度要求。

首先托盤模型進行簡化，并進行網(wǎng)格劃分，然后對模型施加約束、載荷等邊界條件[7]，并分配材料參數(shù)，最后進行有限元分析計算[8]，得到的變形云圖如圖8所示，應力云圖如圖9所示。

圖8 升降平臺變形云圖

圖9 托盤應力云圖

升降平臺的材料為Q345，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.28，屈服強度為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，最大變形量為0.21 mm，變形在所選材料的彈性變形范圍內(nèi)，說明托盤在加速升降過程中只發(fā)生彈性變形，沒發(fā)生塑性變形，加速后材料能夠回復初始狀態(tài)。從圖9的應力分析云圖中可以看出，托盤的最大應力發(fā)生在固定孔處，最大值為49.87 MPa，遠遠小于材料的屈服強度，說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。

升降機構(gòu)是基于承受大承載800 kg天線的目的設計生產(chǎn)的，在使用過程中，該升降機構(gòu)已無故障升降300多次，使用時間已超過2年，穩(wěn)定可靠。結(jié)合設計計算和實際應用，在適當?shù)木S護保養(yǎng)前提下，該升降機構(gòu)使用壽命可達到10年，滿足工況要求。在保證體系架構(gòu)不變的情況下，通過加大電機功率、增粗絲杠直徑、加大絲母的直徑，就可提高升降機構(gòu)承載能力，可達到2 000 kg以上，為日益發(fā)展的大型天線配套服務。

4 結(jié)束語

通過設計計算及仿真分析，該機動式車載天線升降機構(gòu)能夠滿足軍用通信指揮車輛和民用特種車輛對移動式天線的工作要求。運輸狀態(tài)下，升降機構(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，同時滿足鐵路運輸限高要求。工作展開時，天線升降平穩(wěn)迅速，加速無顫動，定位精度高。目前，該升降機構(gòu)已廣泛應用于軍用方艙內(nèi)，操作簡單，使用穩(wěn)定可靠，對于同類產(chǎn)品的設計具有一定的參考價值。

[1] 成大先.機械設計手冊(機械傳動單行本)[M].北京：化學出版社，2004：11-48.

[2] 陳炳發(fā).工業(yè)設計方法及CAD應用[M].北京：科學出版社，2002：53-58.

[3] 饒振鋼，王勇衛(wèi).滾珠絲杠副及自鎖裝置[M].北京：國防工業(yè)出版社，1990：108-109.

[4] 孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2006：56-57.

[5] 左愛武.螺旋傳動機構(gòu)自鎖失效分析[J].武鋼技術，2004(4)：31-33.

[6] 詹迪維.SolidWorks機械設計教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009：55-60.

[7] 劉笑天.ANSYS Workbench結(jié)構(gòu)工程高級應用[M].北京：中國水利水電出版社，2015：81-84.

[8] 王復興，王書貴.材料力學教程[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，1995：513-526.

[9] 李波，李志有，曲穎.某雷達天線升降調(diào)平機構(gòu)設計[J].中國新技術新產(chǎn)品，2014(1)：70-71.

[10] 苗玉剛，趙峰.滾珠絲杠升降機的一種制動結(jié)構(gòu)設計與分析[J].重型機械，2014(5)：72-74.