重載型橫向擴(kuò)展機(jī)構(gòu)的研制

王國(guó)忠 石金明 邵益龍 田鋒

杭州恒宏機(jī)械有限公司 浙江杭州 311212

1 前言

目前，大型房車(chē)[1]、大型方倉(cāng)橫向擴(kuò)展空間的需求較大，要求車(chē)載用擴(kuò)展機(jī)構(gòu)具備大行程擴(kuò)展和高承載性。下面介紹一款新型機(jī)電產(chǎn)品重載型橫向擴(kuò)展機(jī)構(gòu)。

此機(jī)構(gòu)可用于房車(chē)、方倉(cāng)等設(shè)備橫向空間的擴(kuò)展，此外，該重載型橫向擴(kuò)展機(jī)構(gòu)還具備大承載的特性，能夠滿足部分設(shè)備倉(cāng)的擴(kuò)展，擴(kuò)大了裝置的實(shí)用性，重載型橫向擴(kuò)展機(jī)構(gòu)還可適用于特種車(chē)輛的改裝。

2 重載型橫向擴(kuò)展機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路及功能

2.1 設(shè)計(jì)思路

重載型橫向擴(kuò)展機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則是安全可靠、操作簡(jiǎn)便、實(shí)用先進(jìn)、維修簡(jiǎn)便[2]。其研制的基本思路是：a.為方便裝配，設(shè)計(jì)為滑軌和推桿一體式裝置；b.采用矩形鋼管套接的形式組合成滑軌，其內(nèi)部設(shè)計(jì)為滾動(dòng)軸承與鋼管滾動(dòng)，采用承載大的滾針軸承，使其有較好的摩擦系數(shù)和較大的承載；c.推桿采用電動(dòng)推桿的形式，滾針絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)內(nèi)管伸出，實(shí)現(xiàn)推桿的伸縮；d.為保證推桿兩邊的同步性，采用中間布置電機(jī)減速箱，盡可能地保證兩推桿傳動(dòng)的同步性；e.在電機(jī)減速箱處設(shè)置六角接口，可以用套筒棘輪扳手在緊急狀態(tài)下手動(dòng)收回，因電機(jī)減速裝置固定于框架上，此處在設(shè)計(jì)時(shí)箱體需留相應(yīng)的維修孔；f.定位及限位裝置采用行程開(kāi)關(guān)限位，配置伸縮控制盒。

2.2 研究方向

重載型橫向擴(kuò)展機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用于重型方倉(cāng)的擴(kuò)展，主要研究方向是將重型橫向擴(kuò)展機(jī)構(gòu)整合，做成一體，使安裝調(diào)試簡(jiǎn)單化；解決推桿之間的同步問(wèn)題，使方倉(cāng)在擴(kuò)展過(guò)程中不出現(xiàn)一前一后的抖動(dòng)等現(xiàn)象；在方倉(cāng)運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)有震動(dòng)和左右的傾斜，需保持?jǐn)U展倉(cāng)的鎖定，保證擴(kuò)展倉(cāng)不會(huì)因外力自動(dòng)滑出，影響安全；在機(jī)構(gòu)上保證其有安全可靠的承載，并且具有比較大的承載質(zhì)量。

2.3 主要技術(shù)指標(biāo)

承載機(jī)構(gòu)使用電壓為DC24V，電機(jī)額定功率為120 W，機(jī)構(gòu)最大載重質(zhì)量為1 500 kg，額定推桿推力為8 900 N，限流保護(hù)電流為10 A，允許擴(kuò)展最大行程為1 000 mm，擴(kuò)展倉(cāng)沉降≤5 mm，擴(kuò)展時(shí)間≤85 s，工作環(huán)境溫度范圍為-25℃～55℃，作業(yè)噪音≤50 dB，可靠性為800次循環(huán)無(wú)故障，耐鹽霧為滿足96 h試驗(yàn)要求。

2.4 主要功能

a. 整套機(jī)構(gòu)上可承載約1 500 kg的靜載載重，并將其擴(kuò)張至1000 mm；

b. 斷電自動(dòng)鎖定功能，防止運(yùn)輸過(guò)程中因抖動(dòng)而滑出倉(cāng)體；

c. 失電狀況下可手動(dòng)操作，將倉(cāng)體伸出收回；

d. 具有最小和最大行程限位功能。

3 系統(tǒng)組成

重載型橫向擴(kuò)展機(jī)構(gòu)主要由固定安裝框架、承載滑軌機(jī)構(gòu)、電動(dòng)推拉伸縮桿機(jī)構(gòu)、集成控制器及適配電源等部分組成。

下面分別對(duì)主要零部件的結(jié)構(gòu)、功能、性能參數(shù)計(jì)算等作詳細(xì)說(shuō)明。

3.1 固定安裝框架

固定安裝框架根據(jù)擴(kuò)展倉(cāng)的結(jié)構(gòu)及安裝要求而定制，原則上要求框架結(jié)構(gòu)緊湊，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，安全可靠，材料在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上選用市場(chǎng)較為普遍的結(jié)構(gòu)材料，通常采用Q345等優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼。

如圖1所示為兩種方倉(cāng)的框架結(jié)構(gòu)。

圖1 方倉(cāng)的框架兩種結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 承載滑軌機(jī)構(gòu)

3.2.1 承載滑軌機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

承載滑軌機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 承載滑軌內(nèi)部結(jié)構(gòu)

承載滑軌由圖2所示零部件組成，滑軌外管、滑軌內(nèi)管與內(nèi)管軸承為主承受力點(diǎn)。4根滑軌最大承載力是1 500 kg，可參考圖3承載滑軌機(jī)構(gòu)的受力分析。承載滑軌機(jī)構(gòu)的受力分析如圖3所示，應(yīng)力分析可見(jiàn)，機(jī)構(gòu)能夠滿足最大承載要求。

圖3 應(yīng)力分析

3.2.2 承載滑軌機(jī)構(gòu)的受力分析

3.2.3 承載滑軌機(jī)構(gòu)的受力計(jì)算

滑軌內(nèi)部設(shè)計(jì)裝置5對(duì)圓柱滾子軸承，型號(hào)為NU2204E。單個(gè)額定圓柱滾子軸承額定動(dòng)載30 kN，靜載31 kN,受力時(shí)為兩只圓柱滾子軸承同時(shí)受力，其一對(duì)軸承的承載取值45 kN。 F1端面受力取5 kN，伸出端 L1的長(zhǎng)度取值長(zhǎng)2 000 mm，支點(diǎn)至尾部軸承的力臂 2L取值900 mm。

支點(diǎn)軸承處的滑軌的受力計(jì)算：

可見(jiàn)，在滑軌結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求的情況下，軸承的受力情況滿足滑軌的使用要求。

3.3 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

3.3.1 傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)原理

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為電動(dòng)推拉桿的形式，在橫推機(jī)構(gòu)上布置三根電動(dòng)推拉桿，采用中間布置主推力電動(dòng)推拉桿，兩側(cè)為從動(dòng)推拉桿，電機(jī)安裝在中間的電動(dòng)推拉桿上，通過(guò)減速箱的傳動(dòng)將兩側(cè)的從動(dòng)推拉桿同步動(dòng)作，最終達(dá)到同步推拉的效果。電動(dòng)推拉桿的尾部用鉸支的連接方式固定在框架上，另一端齒輪箱體與滑軌的內(nèi)管通過(guò)推出角鋼相連接，當(dāng)電動(dòng)推拉桿動(dòng)作時(shí)，承載滑軌內(nèi)管同步伸縮。

圖4 傳動(dòng)裝置的示意圖

3.3.2 電動(dòng)推拉桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從創(chuàng)立之初至今的25年間，利豐雅高順應(yīng)市場(chǎng)潮流，兼具開(kāi)拓者與追隨者的特性，在發(fā)展過(guò)程中，做出了兩次大的戰(zhàn)略決策。

電動(dòng)推拉桿是重載型橫向擴(kuò)展機(jī)構(gòu)的動(dòng)力部件，分別由中間電動(dòng)推拉桿和兩側(cè)電動(dòng)推拉桿組成。此三處電動(dòng)推拉桿是絲桿套接結(jié)構(gòu)，由電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，頂出絲桿，以此達(dá)到該機(jī)構(gòu)向外橫向擴(kuò)展的功能。

中間電動(dòng)推拉桿的結(jié)構(gòu)如圖5所示，兩側(cè)從動(dòng)電動(dòng)推拉桿的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

電動(dòng)推拉桿的工作原理為：動(dòng)力源為帶減速箱的直流電機(jī)，電機(jī)通電轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速箱的減速帶動(dòng)等比錐齒的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)等比直角錐齒的換向使主動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，又經(jīng)一對(duì)等比錐齒的換向使?jié)L珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿與螺母間的傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)推拉桿的伸縮。從動(dòng)桿上的動(dòng)力是由主動(dòng)轉(zhuǎn)軸通過(guò)傳動(dòng)軸傳遞的。

3.3.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要求電源電壓為DC24V，選用直流有刷電機(jī)，配減速器，電機(jī)選型為Z5D120-24，功率為120 W，空載轉(zhuǎn)速為3 200 r/min，額定負(fù)載轉(zhuǎn)速為2 600 r/min，額定滿載電流為7.0 A，電機(jī)轉(zhuǎn)矩為0.441 Nm，電機(jī)選配行星減速器型號(hào)為5GU18KB，減速比為1:18，錐齒輪為等比直角齒，故減速比為1，錐齒輪只做換向用。

圖5 中間電動(dòng)推拉桿結(jié)構(gòu)

圖6 兩側(cè)電動(dòng)推拉桿結(jié)構(gòu)

滾珠絲桿傳遞的額定力矩下，電動(dòng)推拉桿的推拉力的計(jì)

又由:

式中，M絲桿為傳遞至滾珠絲桿上的扭矩，Nm； F推力 為電動(dòng)推拉桿最終形成的推拉力，N；P為滾珠絲桿的導(dǎo)程，mm；η為滾珠絲桿的機(jī)械效率，一般取值0.9； T電機(jī)為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，N·m； u為減速箱的減速比。

計(jì)算可得， M絲桿=7.938 Nm，電動(dòng)推拉桿的額定推拉力約為8 900 N。

電動(dòng)推拉桿的推出速度的計(jì)算公式為:

故推拉桿的推拉速度V推出=P×V絲桿=12 mm/s。

3.4 控制器的設(shè)計(jì)

重載型橫向擴(kuò)展機(jī)構(gòu)控制器采用8051單片機(jī)編程[3]，控制穩(wěn)定、高效、方便、可靠。

3.4.1 采用行程開(kāi)關(guān)限位

限位擋圈固定在電動(dòng)推拉桿的外管上，因推拉桿固定于角鋼上，推拉桿在動(dòng)作時(shí)外管隨角鋼的移動(dòng)而伸縮，實(shí)現(xiàn)限位的目的。限位的布置如圖7所示。

圖7 行程開(kāi)關(guān)限位的布置

3.4.2 控制的邏輯

控制的邏輯如圖8所示，伸出開(kāi)關(guān)和縮回開(kāi)關(guān)為同一個(gè)船型開(kāi)關(guān)。操作步驟為，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，按下開(kāi)關(guān)的伸出鍵，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)推拉桿伸出，推拉桿伸展至伸出限位時(shí)停止，如果限位沒(méi)有給控制箱信號(hào)，機(jī)構(gòu)堵轉(zhuǎn)保護(hù)；按下縮回開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)縮回，縮回至原位即縮回限位器起作用，邏輯與開(kāi)關(guān)信號(hào)相同。

圖8 控制的邏輯圖

4 技術(shù)難點(diǎn)及創(chuàng)新

4.1 整合零部件模塊化配置

起初的樣品制作是散件，部件分別安裝在對(duì)方單位的車(chē)架上，但是經(jīng)過(guò)幾次的安裝調(diào)試發(fā)現(xiàn)了安裝上的許多問(wèn)題，最主要的問(wèn)題是散件安裝在車(chē)上后往往會(huì)因?yàn)榫葐?wèn)題配合不好，裝出來(lái)的機(jī)構(gòu)經(jīng)常有很大的噪音，更甚者推桿與滑軌之間直接卡住，導(dǎo)致電機(jī)燒壞、機(jī)構(gòu)損壞等諸多故障。經(jīng)協(xié)調(diào)，在車(chē)架上加裝一個(gè)框架，保證各個(gè)機(jī)構(gòu)之間運(yùn)行順暢，且安裝省時(shí)省力，提高了安裝質(zhì)量，安裝調(diào)試也更加方便。

4.2 推桿的同步

在設(shè)計(jì)之初，采用一推桿一從動(dòng)推桿的安裝布置，由于兩推桿之間的中心距較短，相對(duì)于承載滑軌的位置是不對(duì)稱(chēng)的。導(dǎo)致機(jī)構(gòu)在運(yùn)行中出現(xiàn)左右兩側(cè)推出不同步，經(jīng)常是一邊合縫，一邊還未關(guān)合；此外機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中還出現(xiàn)抖動(dòng)、噪音等問(wèn)題。因此在后面的重載型橫向擴(kuò)展機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)制造中采用的是三推桿形式，中間推桿作為主動(dòng)推桿，兩側(cè)推桿從動(dòng)，推桿的布置盡量保持結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱(chēng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展倉(cāng)的同步穩(wěn)定擴(kuò)展。

4.3 機(jī)構(gòu)自鎖性

第一次樣品測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)重載型橫向擴(kuò)展機(jī)構(gòu)在車(chē)輛的運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)震動(dòng)和左右傾斜的現(xiàn)象，時(shí)間久了之后，擴(kuò)展倉(cāng)會(huì)因外力的作用慢慢滑出，不能自鎖，影響了使用的安全。分析原因發(fā)現(xiàn)是由于推桿采用滾珠絲桿傳動(dòng)，滾珠絲桿不能自鎖，受震動(dòng)等外力因素的作用導(dǎo)致擴(kuò)展倉(cāng)易松動(dòng)拓出，因此在推桿內(nèi)部加裝扭力彈簧增加回旋的阻力，同時(shí)利用電機(jī)齒輪的阻力，兩阻力相加實(shí)現(xiàn)推桿機(jī)構(gòu)的相對(duì)自鎖。

5 結(jié)語(yǔ)

為檢驗(yàn)重載型橫向擴(kuò)展機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性及其耐久性，進(jìn)行了仿真模擬測(cè)試，對(duì)各零部件的使用壽命進(jìn)行整體性配合試驗(yàn)。試驗(yàn)方法為每10 min進(jìn)行一次循環(huán)，對(duì)每項(xiàng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行記錄，保證其800次的壽命。試驗(yàn)結(jié)果表明，該重載型橫向擴(kuò)展機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性及其耐久性均滿足設(shè)計(jì)要求，可用于房車(chē)、方倉(cāng)等設(shè)備的橫向空間的擴(kuò)展，具有廣泛的應(yīng)用前景。