齒輪型座架俯仰傳動鏈設(shè)計

谷立永

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050000)

1 背景介紹

車載天線[1]的設(shè)計需要考慮運(yùn)輸性，為了使天線滿足鐵路、公路運(yùn)輸性以及海運(yùn)和空運(yùn)的要求，目前的座架[2]俯仰驅(qū)動多采用螺旋傳動[3]。螺旋傳動是靠螺旋與螺紋牙面旋合實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動與直線運(yùn)動的轉(zhuǎn)化。由于需要考慮自鎖性，俯仰驅(qū)動采用小螺旋升角的滑動螺旋傳動。該傳動的缺點(diǎn)是傳動效率低、發(fā)熱明顯，并且磨損較快。因而滑動螺旋傳動不適用于傳動速度快的工況?；瑒勇菪齻鲃拥娜秉c(diǎn)，使得天線設(shè)備的轉(zhuǎn)速指標(biāo)成為天線綜合性能提升的技術(shù)瓶頸。針對此種情況，將俯仰驅(qū)動由螺旋傳動改為齒輪傳動，大幅度提高天線俯仰的轉(zhuǎn)速指標(biāo)。

2 設(shè)計

2.1 設(shè)計簡介

天線座架是用于支撐天線并完成方位、俯仰運(yùn)動的系統(tǒng)。天線座架選用方位—俯仰轉(zhuǎn)臺式座架。俯仰驅(qū)動系統(tǒng)置于方位轉(zhuǎn)盤上，并采用叉臂型轉(zhuǎn)臺形式，運(yùn)動范圍為0°～90°，通過把俯仰軸布置在相對于方位軸異面垂直的位置，并把與天線骨架的連接位置布置在天線骨架下方的外側(cè)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)空間排布。

天線座架俯仰傳動鏈見圖1。以下對齒輪型俯仰傳動的速度、載荷、回差、沖擊振動和指向精度進(jìn)行設(shè)計計算。

圖1 俯仰傳動鏈

2.2 俯仰機(jī)構(gòu)

俯仰驅(qū)動由交流伺服電機(jī)[5]、蝸桿蝸輪減速器、行星減速器和末級平行齒等部分組成，這種布置方式將俯仰驅(qū)動布置在后部的俯仰支臂內(nèi)，整體尺寸更緊湊，外形更美觀，由于采用行星減速器和大模數(shù)平行齒傳動，齒面嚙合的剛性較普通螺旋傳動成倍數(shù)增長，傳動鏈的諧振頻率[6]大幅提升，有利于天線滿足快速對星的要求。

俯仰同步由碼盤、接近開關(guān)和碰塊組成，碼盤可以讀取天線的轉(zhuǎn)動角度，接近開關(guān)和碰快可以起到電限位的作用，通過采集碼盤反饋的信息進(jìn)而控制天線的轉(zhuǎn)動，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)[7]，避免天線轉(zhuǎn)動超出行程要求。

2.3 俯仰傳動鏈速度設(shè)計

電機(jī)選用2.7kW交流伺服電機(jī)，額定扭矩M1為17.8N·m，額定轉(zhuǎn)速n1為1500rpm。減速器選用蝸輪蝸桿和行星減速器組合，總減速比為i為2652，其中蝸輪蝸桿減速比i1為26，效率η1為33%；行星減速比i2為20.4，效率η2為90%，末級平行齒傳動速比i3為5，效率η3為95%。

天線俯仰轉(zhuǎn)動速度ω1的計算公式為：

2.4 俯仰傳動鏈載荷計算

俯仰傳動的載荷分為風(fēng)載荷、重力載荷、摩擦載荷和慣性載荷，本研究天線，風(fēng)載荷和重力載荷為主要載荷，對天線進(jìn)行俯仰載荷計算，計算結(jié)果見圖2。當(dāng)天線處于方位0°俯仰60°時，俯仰載荷最大，此時ME為12209N·m。

圖2 俯仰載荷

當(dāng)電機(jī)輸出額定扭矩時，末級的驅(qū)動扭矩M2:

M2=M1×i1×i2×i3×η1×η2×η3=13319N·m

M2>ME,設(shè)計滿足要求。

2.5 俯仰傳動回差計算

傳動鏈的回差Δ1影響天線的指向精度，需要綜合考慮機(jī)械加工能力和速比選擇。本產(chǎn)品俯仰減速器回差為δ1，末級平行齒傳動齒隙為δ2，末級大齒輪的分度圓直徑為D1，承載時大齒輪的變形δ3，如圖3所示為0.108。

圖3 齒輪力學(xué)分析

傳動鏈回差δ的計算公式為：

0.039°

2.6 俯仰傳動振動仿真

俯仰轉(zhuǎn)動過程中，慣性載荷會引起傳動鏈的沖擊振動，進(jìn)而影響天線的指向精度。使用ADAMS軟件進(jìn)行建模，仿真計算座架俯仰運(yùn)動的振動情況。將天線簡化為質(zhì)量塊，通過連桿與俯仰軸連接，在俯仰軸處添加扭簧，設(shè)置扭簧的剛性和阻尼參數(shù)，建模模型見圖4，仿真結(jié)果見圖5。由仿真結(jié)果可知，振動對指向的影響Δ2為0.012°。

圖4 俯仰振動分析模型

圖5 俯仰振動分析結(jié)果

2.7 俯仰傳動指向計算

Ka頻段4.5m天線的波束寬度為Δka為0.22°，天線座架的指向精度需要考慮回差和沖擊振動，指向精度Δ的計算公式:

Δ=Δ1+Δ2=0.051°

Δ<Δka，設(shè)計滿足要求。

3 總結(jié)

俯仰機(jī)構(gòu)采用滑動螺旋傳動的座架，俯仰轉(zhuǎn)速指標(biāo)普遍在0.3°/s左右，嚴(yán)重限制了天線的性能指標(biāo)。本文描述的座架俯仰機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動，大幅度提高轉(zhuǎn)速指標(biāo)，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)速指標(biāo)不再是天線性能提升的瓶頸。并且通過合理的設(shè)計和計算，使天線座架同時滿足指向精度的要求。