一種單電機(jī)并聯(lián)同步雙桿推動(dòng)缸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

張 琳 周勇軍 張 翔

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

某車載雷達(dá)是一種中大型車載機(jī)動(dòng)類型雷達(dá),天線陣面大,必須收藏于載車車廂內(nèi),以滿足雷達(dá)的公路、鐵路運(yùn)輸機(jī)動(dòng)要求。高機(jī)動(dòng)中大型雷達(dá)系統(tǒng)的天線倒伏機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是雷達(dá)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。雷達(dá)天線的展開(kāi)架設(shè)需要倒伏機(jī)構(gòu)方便、快捷,撤收、運(yùn)輸要安全可靠。

某車載雷達(dá)系統(tǒng)在架設(shè)工作和撤收狀態(tài)時(shí)倒伏機(jī)構(gòu)必須收藏在天線機(jī)柜內(nèi),對(duì)機(jī)構(gòu)的外形尺寸有嚴(yán)格要求,一般的機(jī)構(gòu)不能滿足空間要求,需要設(shè)計(jì)一種新機(jī)構(gòu)[1],文中介紹了一種單電機(jī)并聯(lián)同步雙桿推動(dòng)缸機(jī)構(gòu),為該類型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了一種思路和解決方法。

1 天線倒伏裝置傳動(dòng)形式確定

該雷達(dá)天線陣面尺寸為5m×3m,為滿足雷達(dá)系統(tǒng)在運(yùn)輸方面的要求,天線陣面需要倒伏收藏與車廂內(nèi),雷達(dá)天線架設(shè)與撤收簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1所示。依據(jù)某車載雷達(dá)產(chǎn)品天線倒伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)要求及空間布局,設(shè)計(jì)了電動(dòng)雙桿推動(dòng)缸機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)天線的倒伏動(dòng)作。電動(dòng)雙桿推動(dòng)缸在雷達(dá)系統(tǒng)中安裝示意如圖2所示,電動(dòng)雙桿推動(dòng)缸的下鉸鏈安裝在雷達(dá)天線座支撐軸孔處,雙桿推動(dòng)缸體的上鉸鏈安裝在雷達(dá)天線框架支撐軸孔處,通過(guò)控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)雙桿推動(dòng)缸直線輸出,雷達(dá)天線繞天線座旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)車載雷達(dá)天線俯仰方向的架設(shè)和撤收。

圖1 雷達(dá)天線架設(shè)與撤收原理簡(jiǎn)圖

圖2 電動(dòng)雙桿推動(dòng)缸安裝示意圖

2 電機(jī)并聯(lián)同步雙桿推動(dòng)缸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

電動(dòng)雙桿推動(dòng)缸主要功能是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦左w往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)總體負(fù)載空間的布局和要求,在極有限的空間體積要求下,傳動(dòng)減速比應(yīng)該是越大越有利,通過(guò)計(jì)算核算后,該電動(dòng)缸采用電機(jī)連接減速器,經(jīng)并聯(lián)雙級(jí)展開(kāi)式齒輪組三次減速后,通過(guò)滾珠絲杠進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)輸出。電動(dòng)雙桿推動(dòng)缸是伺服電動(dòng)機(jī)、減速器、并聯(lián)雙級(jí)展開(kāi)式齒輪組(包括初級(jí)動(dòng)力齒輪、中級(jí)疊連傳動(dòng)齒輪、末級(jí)轉(zhuǎn)向齒輪等)、支撐軸承、抗傾覆組合軸承、滾珠絲杠、螺母伸縮缸等零部件構(gòu)成。控制指令信號(hào)通過(guò)伺服控制單元控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸入至兩級(jí)減速器,然后通過(guò)動(dòng)力齒輪嚙合傳遞到并聯(lián)雙級(jí)展開(kāi)式齒輪組輸出減速后的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),再通過(guò)滾珠絲杠的一端杠頭螺紋緊固,最終通過(guò)固定缸連接滾珠絲杠的螺母缸體輸出為往返的高精度直線運(yùn)動(dòng)[2],原理圖如圖3所示。

1-伺服電機(jī) 2-行星減速器 3-初級(jí)動(dòng)力齒輪 4-中級(jí)疊連齒輪5-支撐軸承 6-末級(jí)轉(zhuǎn)向齒輪 7-抗傾覆組合軸承8-滾珠絲杠 9-螺母伸縮缸圖3 電動(dòng)并聯(lián)同步雙桿推動(dòng)缸原理圖

3 電動(dòng)同步雙桿推動(dòng)缸的設(shè)計(jì)過(guò)程

3.1 技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

這種電動(dòng)同步雙桿推動(dòng)缸的設(shè)計(jì)是以雷達(dá)系統(tǒng)天線倒伏技術(shù)要求為依據(jù),從輸出端最大要求技術(shù)指標(biāo)向輸入端設(shè)計(jì)反推。反推得出的數(shù)據(jù)確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)、伺服電機(jī)所需力矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù),該電動(dòng)同步雙桿推動(dòng)缸往復(fù)直線部件選用高精度滾珠絲杠傳動(dòng)。

3.1.1 滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)力矩的設(shè)計(jì)計(jì)算

(1)

其中:T為轉(zhuǎn)矩,單位N·m;F為軸向力,單位N;L為滾珠絲杠導(dǎo)程,單位mm;η3為滾珠絲杠效率。

3.1.2 電動(dòng)雙桿推動(dòng)缸傳動(dòng)總效率的設(shè)計(jì)計(jì)算

η=η1×η2×η3=0.9×0.9×0.9=0.729

(2)

其中:η1、η2為并聯(lián)雙級(jí)展開(kāi)式齒輪組傳動(dòng)效率,是0.9;η3為滾珠絲杠效率,是0.9。

3.1.3 電動(dòng)雙桿推動(dòng)缸輸出端理論功率的設(shè)計(jì)計(jì)算

P=Fv=80000×8.6×10-3=686W

(3)

其中:v為輸出線速度8.6mm/s。

3.1.4 伺服電機(jī)行星減速器端所需的最小功率的設(shè)計(jì)計(jì)算

(4)

3.1.5 伺服電機(jī)行星減速器端所需的最大轉(zhuǎn)速n的設(shè)計(jì)計(jì)算

(5)

其中:u為并聯(lián)雙級(jí)展開(kāi)式齒輪組減速比,根據(jù)計(jì)算值為4.1。

取電機(jī)功率P0=1500W,電機(jī)+行星減速器轉(zhuǎn)速250r/min。

3.1.6 減速器端輸出力矩

(6)

3.1.7 電動(dòng)缸滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)力矩輸出數(shù)據(jù)校驗(yàn)

T′=T0×u×η1×η2=57.3×3.9×0.9×0.9
=181N·m

(7)

T′>T。

3.1.8 推動(dòng)缸輸出線速度數(shù)據(jù)校驗(yàn)

v′=(n×L)/(u×60)
=(250×10)/(3.9×60)=10.68mm/s

(8)

其中,v′>v。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)計(jì)算及校驗(yàn)計(jì)算可知,電動(dòng)缸的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均高于技術(shù)指標(biāo)值,滿足電動(dòng)同步雙桿推動(dòng)缸的技術(shù)要求[2-3]。

3.2 并聯(lián)雙級(jí)式齒輪組設(shè)計(jì)計(jì)算

受電動(dòng)同步雙桿推動(dòng)缸的外型尺寸限制,齒輪組最佳傳動(dòng)比條件,選取初級(jí)動(dòng)力齒輪齒數(shù)Z1=17,中級(jí)疊連傳動(dòng)齒輪齒數(shù)Z2=53,Z3=27,末級(jí)轉(zhuǎn)向齒輪齒數(shù)Z4=34,初級(jí)動(dòng)力齒輪與伺服電機(jī)的行星減速器的輸出端連接,驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器輸出力矩為57.3N·m。

3.2.1 計(jì)算初級(jí)動(dòng)力齒輪接觸疲勞強(qiáng)度

(9)

其中:σHlim為齒輪接觸疲勞強(qiáng)度,齒輪做調(diào)質(zhì)熱處理,取σHlim=1150MPa;SHmin為接觸強(qiáng)度安全系數(shù),SHmin=1.5;ZN為接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù),取ZN=1.0;ZW為工作硬化系數(shù),取ZW=1.0[2-3]。

按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算齒輪分度圓直徑[2-3]。

3.2.2 初級(jí)動(dòng)力齒輪分度圓直徑計(jì)算

(10)

其中:i為齒數(shù)比,i=Z2/Z1=53/17=3.1;K為接觸強(qiáng)度使用的綜合系數(shù),查手冊(cè)取K=1.2;ψa為齒寬系數(shù),取ψa=0.5;ZE為材料的彈性系數(shù),齒輪均為鋼制材料,取112ZE=21260;T為齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩;σHp為齒輪接觸疲勞強(qiáng)度[4]。

3.2.3 齒輪模數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

m≥d/Za=71/17=4.1

(11)

考慮產(chǎn)品外形尺寸結(jié)合齒輪強(qiáng)度校核,取m=4.5,取齒寬b=20mm。以上計(jì)算及校核步驟可計(jì)算設(shè)計(jì)余下齒輪組齒輪的傳動(dòng)參數(shù)[2-3],并聯(lián)雙級(jí)式齒輪組4種齒輪參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 并聯(lián)雙級(jí)式齒輪組4組齒輪參數(shù)表

4 主要結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

4.1 并聯(lián)雙級(jí)展開(kāi)式齒輪組件

由于該電動(dòng)同步雙桿推動(dòng)缸體積和重量有要求限制,所以根據(jù)此限制設(shè)計(jì)了并聯(lián)雙級(jí)展開(kāi)式齒輪組,本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的齒輪組由初級(jí)動(dòng)力齒輪、中級(jí)疊連傳動(dòng)齒輪、末級(jí)轉(zhuǎn)向齒輪、支撐軸承、調(diào)整環(huán)墊片等零件組成。本機(jī)構(gòu)所用零件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊互換性強(qiáng),與普通的齒輪傳動(dòng)箱比較,本機(jī)構(gòu)具有維護(hù)方便、便于拆卸,支撐選用如圖4所示兩端軸承支撐式,通過(guò)修配調(diào)整環(huán)墊片可以有效地補(bǔ)償零件的加工誤差及零件裝配的微量誤差,也便于機(jī)構(gòu)跑合及磨合以使機(jī)構(gòu)達(dá)到最佳使用狀態(tài)。

圖4 并聯(lián)雙級(jí)展開(kāi)式齒輪組件結(jié)構(gòu)圖

4.2 電動(dòng)同步雙桿推動(dòng)缸結(jié)構(gòu)與UG有限元仿真

并聯(lián)同步雙桿推動(dòng)缸機(jī)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、高精度減速器、并聯(lián)雙級(jí)展開(kāi)式齒輪組和齒輪箱,緊固螺母、一級(jí)高精度滾珠絲杠和固定缸筒零部件構(gòu)成。伺服電機(jī)與高精度減速器通過(guò)緊固螺栓固定在并聯(lián)雙級(jí)展開(kāi)式齒輪箱上,減速器的輸出齒輪與中級(jí)疊連齒輪嚙合傳動(dòng)連接,中級(jí)疊連齒輪與末級(jí)轉(zhuǎn)向齒輪嚙合傳動(dòng),兩根滾珠絲杠的杠體根部通過(guò)異側(cè)雙鍵及螺紋緊固其中心軸與末級(jí)轉(zhuǎn)向齒輪相連接,其后推動(dòng)缸筒與滾珠絲杠的螺母以螺紋連接從固定缸體中伸出,實(shí)現(xiàn)左右推動(dòng)缸筒同步直線伸縮動(dòng)作[2-3]。 圖5所示為電動(dòng)同步雙桿推動(dòng)缸的結(jié)構(gòu)圖。

1-伺服電機(jī) 2-減速器 3-初級(jí)動(dòng)力齒輪 4-中級(jí)疊連傳動(dòng)齒輪5-末級(jí)轉(zhuǎn)向齒輪 6-鎖緊螺母 7-抗傾覆組合軸承 8-滾珠絲杠9-伸縮缸 10-推動(dòng)缸筒 11-手動(dòng)裝置 12-外殼圖5 電動(dòng)并聯(lián)同步雙桿推動(dòng)缸

電動(dòng)雙桿推動(dòng)缸受到徑向載荷和安裝姿態(tài)的影響,使推動(dòng)缸伸出時(shí)受到徑向載荷和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩而導(dǎo)致推動(dòng)缸發(fā)生撓曲變形。撓曲變形會(huì)導(dǎo)致滾珠絲杠發(fā)生卡死,因此變形量需要控制,以保證整體剛度減少結(jié)構(gòu)尺寸和重量。設(shè)定推動(dòng)缸伸出長(zhǎng)度517mm的情況下固定筒體材料采用40Cr鋼,缸筒體材料采用軸承鋼,在端部鉸鏈處施加軸向載荷40000N[5],轉(zhuǎn)力矩載荷1000N·m,在推動(dòng)缸筒、固定筒、外殼等承力件材料確定后,在電動(dòng)同步雙桿推動(dòng)缸重量允許范圍內(nèi),運(yùn)用UG有限元仿真軟件對(duì)整機(jī)的承載力矩下,進(jìn)行仿真并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化和改善,對(duì)各個(gè)重要零件反復(fù)優(yōu)化迭代設(shè)計(jì),最終電動(dòng)缸的重量為175kg,滿足產(chǎn)品要求。對(duì)電動(dòng)同步雙桿推動(dòng)缸整機(jī)在工作狀態(tài)下進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受力仿真分析,將模型導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)有限元分析平臺(tái)中進(jìn)行優(yōu)化分析,分析結(jié)果如圖6(a)至圖6(d)所示。

圖6 電動(dòng)缸有限元節(jié)點(diǎn)云圖

從圖6分析結(jié)果可知,整機(jī)受負(fù)載力工作時(shí),受最大應(yīng)力值為170Mpa,應(yīng)力小于推動(dòng)缸筒、固定筒材料屈服極限強(qiáng)度(800MPa),最大變形量值為0.081mm,安全系數(shù)最低為2.1左右,推動(dòng)缸筒運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)卡滯,電動(dòng)同步雙桿推動(dòng)缸剛強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

5 樣機(jī)試驗(yàn)

樣機(jī)在模擬負(fù)載下進(jìn)行性能指標(biāo)驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明樣機(jī)電動(dòng)雙桿推動(dòng)缸滿足系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求,電動(dòng)缸同步雙桿推動(dòng)缸運(yùn)行穩(wěn)定,樣機(jī)測(cè)試如表2。

表2 電動(dòng)雙桿推動(dòng)缸指標(biāo)參照表

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的一種單電機(jī)并聯(lián)同步雙桿推動(dòng)缸機(jī)構(gòu),利用伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn),通過(guò)減速器,并聯(lián)雙級(jí)展開(kāi)式齒輪組件、滾珠絲杠、絲杠螺母、推動(dòng)缸筒等零部件的無(wú)間隙配合連接,實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)同步雙桿推動(dòng)缸并聯(lián)同步直線運(yùn)動(dòng),有效提高雙桿推動(dòng)軸向推力、雙缸同步精度,顯著縮小機(jī)構(gòu)外型體積,該結(jié)構(gòu)制作布置簡(jiǎn)潔及驅(qū)動(dòng)過(guò)程不復(fù)雜,穩(wěn)定可靠,推動(dòng)缸軸向推力大、運(yùn)動(dòng)定位精度和雙缸同步精度高,通過(guò)設(shè)計(jì)有限元仿真及樣機(jī)指標(biāo)驗(yàn)證,該電動(dòng)雙桿推動(dòng)缸適配性高,滿足雷達(dá)天線特殊技術(shù)指標(biāo)要求,設(shè)計(jì)出了一種新的車載雷達(dá)天線倒伏機(jī)構(gòu)裝置。