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一種機動式車載天線（xiàn）升降機構設計

2020-3-10 來源：中國電子科技集團公司第五十四（sì）研究所作者：矯海

摘要: 基（jī）於車（chē）載天線需要升降的需求，設計了一種天線升降機構。對（duì）天線升（shēng）降機構（gòu）的類型及其優缺點進行了簡要分析，介紹了絲杠絲母機械傳動升降機構的係統組成及工作原（yuán）理，完成了驅動裝置的設計計算，對防逆轉的超越離（lí）合器（qì）進（jìn）行了設計選型，對關（guān）鍵承載部件（jiàn）進行了力學仿真分析。該升（shēng）降機構已在多個產品中使用，應用結果表明，該升降機構操作簡單、方便、快捷，滿足使用要（yào）求。

關鍵詞: 升降（jiàng）機構; 絲杠; 升降平台; 有限元分析

0 引（yǐn）言

在許多應用場合（hé），車載天線要安（ān）裝在盡可能高的車頂，滿足（zú）天線的工（gōng）作需（xū）求（qiú），而非工作狀態，要把車載天線收到車內，滿足（zú）公路（lù）、鐵路和空（kōng）運等對車外形限製條件。因（yīn）此，需有一套升降機構來擔負天線的架設和撤收任務。機械式升降機構作為天線係（xì）統的工作（zuò）平台，能在有限的空間及高承載要（yào）求的前（qián）提下，滿足剛度、強度要（yào）求，達到較（jiào）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長時間工作而產生（shēng）的安全隱患問題。

采（cǎi）取有效合理的（de）措施來保（bǎo）證（zhèng）設計指標的實現成為結構設計人員必須解（jiě）決的問題。本文詳細介紹了機動式車載天線升降機構係統設（shè）計過程、關鍵部件的設計計算以及（jí）參數的選取，並進行了（le）仿真驗（yàn）證，以期滿足係統要求，為（wéi）拓展高強（qiáng）度承載力的升降機構設計打下基礎。

1、天線升（shēng）降機構特點分析

市場上常用的天線升降機構主要有（yǒu）絲杠絲母機械傳動、鋼絲繩傳動和液壓係統傳動等結構（gòu）。下麵對 3 種類型的升（shēng）降機構進行對比（bǐ）分（fèn）析。

1．1 絲杠絲母（mǔ）機械傳動（dòng）

絲杠絲母機械傳動的升降機構由電機、減（jiǎn）速機和絲杠絲（sī）母等組成（chéng），結構簡單，傳動安全可靠。升降機構主要執行件也是負載（zǎi）承擔部件，絲杠絲母采用滾珠絲杠副結構，滾珠絲杠（gàng）傳（chuán）動平穩、效率（lǜ）高，且不易磨損（sǔn）。

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

天線在架設狀態下，天線升降機構（gòu）大部分結構伸出到艙外。這樣，升降機構需要滿足（zú）防沙塵、防淋（lín）雨、防鹽霧、防（fáng）潮濕、防黴菌、高低溫工作儲（chǔ）存和振動衝擊等（děng）的環境適應性要求。升降機（jī）構在環境適應性設計上采取了以下措施:

① 結構上采用全密封設（shè）計（jì）。

② 在零部件材料選擇、零件材料（liào）表麵處理（lǐ）技術和（hé）合（hé）理的結構設計這三方麵進行設計。絲杠及緊固（gù）件選用（yòng）不鏽鋼材料;黑色金屬表麵采用噴鋅或鍍（dù）鋅工藝，鋁材選（xuǎn）用防鏽鋁合金 LF21，表麵（miàn）陽極氧化，銅材表麵（miàn）氧（yǎng）化，使用時定期塗抹潤滑脂，電動機和減速箱（xiāng）進（jìn）行密封設計，避免形成積水（shuǐ）結構。

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係數小的材料。

④ 有鎖緊裝置（zhì）使其在振動衝擊（jī）環（huán）境下能夠正常使用。

1．2 鋼絲繩傳動（dòng）

鋼絲繩傳動升降機構的（de）鋼（gāng）絲繩（shéng）易磨損，其壽命比（bǐ）滾（gǔn）珠絲杠（gàng）副結構的升降機構低很多。鋼絲繩結構升降機構屬於非剛性傳動，在運輸過程中鋼（gāng）絲繩易被拉長。拉長後升降機構會出現爬行、蠕動和不同步現象，鋼絲繩傳動機構也會發生鋼絲繩斷裂，造成升降機構突然墜落等問題。

在（zài）環（huán）境適應性方麵，不鏽鋼鋼絲繩因其延伸率（lǜ）和硬（yìng）度特性不適於（yú）牽引（yǐn）使用，升降機構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（de），必須有塗油措施，這就加大了設備維護保養方麵的負擔。

1．3 液（yè）壓係統傳動（dòng）

液壓傳動升降機構的液壓（yā）係（xì）統在可靠性方麵有兩大缺點（diǎn）:① 密（mì）封件隨著使用時間（jiān）推移而老化造成密封失效，液（yè）壓係統會出現內泄和（hé）外泄現象，這樣會影響（xiǎng）產品的清潔度，液壓（yā）升降機（jī）構的精度可靠性很難保證;② 液壓油的清潔度直接影響產品的功能，因為液（yè）壓油中的雜質可使液壓（yā）閥（fá）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（qì）件泄露、管路爆破而導致的典型（xíng）安全隱患問題。在環境適應性方麵，液（yè）壓升降機構（gòu）的密封件一般（bān）采用橡膠材質，在高、低溫環境下會加速其老化，影響液壓係統的密封性;另（lìng）外，液壓（yā）油受高低溫（wēn）影響需（xū）要在季節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有（yǒu）許多優點。本文介（jiè）紹的天線升降機構滾珠絲杠（gàng）副基本參數為:導程 10 mm，公稱直徑（jìng） 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（dù）要求:沿滾道法向表麵有效硬（yìng）化層深度（dù） 1．0 mm，公差等級10 級，執行 GB / T17587—1998 標準。此參數滾珠絲（sī）杠副當垂直使用，動額定負載 1 200 kg 以上，可靠性次數 700 000 次以上，壽命（mìng） 15 年，遠遠大於天線升降機構對絲杠絲母的要求。天線升降機構其他齒（chǐ）輪係傳動基本均是通用傳動結構，零（líng）部（bù）件和整件的可（kě）靠性（xìng）指標均不小於產品的可靠性指標。

2 、整體布局與設計計算（suàn）

2．1 係統組成及工作原理

天線升降機構采用絲杠傳（chuán）動，整個機構含有控製裝置、驅動裝置、傳動裝置（zhì）、限位鎖緊裝（zhuāng）置和（hé）密封屏蔽（bì）裝置等。主要（yào）由頂板、天線升降平台、底板、滾珠絲杠螺母組、電機及減速機（jī）驅動機構、升降（jiàng）機、T 型（xíng）換向器、手搖裝置和排水裝置（zhì）等組成，如圖 1所示。

圖 1 天線升降機構外形

交流異（yì）步電（diàn）機提供動力，經過減速機降低轉速，傳送動力給（gěi） T 型換向器轉換動力方向，再（zài）將動力輸送給升降裝置，升降裝置帶（dài）動滾珠絲杠轉動，4 個固定在升（shēng）降平台底部的螺母帶動升降平台做軸向移（yí）動，完成升（shēng）降動作，如圖 2 所示。

圖 2 天線升降機構原理

2．2 設（shè）計計算

2．2．1 設（shè）計需求

升降機構動力供電 AC 380 V(三（sān）相（xiàng）三線)，設計起升重量 800 kg;初步估算升降平台自重 350 kg;根據（jù）運（yùn）輸（shū）車輛方艙的內部空間尺寸確定（dìng）升降（jiàng）行程1 950 mm;要求起升時間（jiān） 7 min。參考設計資料選擇絲杠的規格尺寸參數，確定選擇絲杠直徑（jìng） 63 mm，絲杠螺距 10 mm(導程)的滾珠絲杠作為傳動介質;動力驅動電機選（xuǎn）定 AC 380 V 供電，功率 750 W，轉速1 470 r/min的電機。

2．2．2 減速機減速比計算

依據設計需求參數，進行環環相扣的設（shè）計計算過（guò）程。從電機的高轉（zhuǎn）速到絲杠的緩速平穩上升過程需（xū）要減速機的降（jiàng）速設計，選用合理適宜的減速機至關重（chóng）要。

2．2．3 總功率核算

通過設計計算確定了減速比，初步選定了電參（cān）數，此步驟要驗證所選電機（jī）的（de）功率能否滿足設計

要求。

2．2．4 總扭矩核（hé）算

電機（jī）功率確認後，重要的一（yī）步是確（què）認電（diàn）機的驅動扭矩是否（fǒu）滿足設計要（yào）求。單根（gēn）滾珠絲杠抬升重物的（de）扭（niǔ）矩（jǔ）:

升降機的總扭（niǔ）矩值:

隻有功率和扭矩 2 項技術指標均滿足設計要求（qiú），才（cái）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 滾珠絲杠副防逆轉措施

滾珠（zhū）絲杠副由於（yú）傳動效率高（gāo），不能自鎖，在用於（yú）垂直（zhí）方位傳動時，如果部件重量沒有平衡，必須防（fáng）止當傳動停（tíng）止（zhǐ）或電機（jī）斷電（diàn）後，因（yīn）部件自（zì）重而產生的逆（nì）轉動。防（fáng）逆轉可以采用（yòng）超（chāo）越離（lí）合器或不能逆傳動的（de）驅動電機，也可以采用不能逆轉的傳動（dòng）裝置(如（rú）可以自（zì）鎖的蝸杆傳動) 以及電磁或液壓製動器。目前，國內已有專業加工廠生產多種適合防止滾珠絲杠副逆轉的超越離合器。

典型的單向超越離合器結構簡圖如圖 3 所示，圖（tú） 3 中（zhōng），1 表示外（wài）環;2 表示滾柱;3 表示彈簧;4 表示星形輪( 內環) 。當星形輪（lún） 4( 內環) 有順時針轉動的趨勢(即逆轉)時，若（ruò）在外環 1 上施加一個適當的阻力（lì）矩，可防止與內環 4 裝在一起的滾珠絲杠順時針方向逆轉，而隻允許絲杠作逆時針方向的轉動。

圖 3 單向超越（yuè）離合器

當要防（fáng）止滾珠絲杠（gàng）副雙向逆轉時可以采用圖4 所示的（de）結（jié）構。圖 4 中，1 表示滾珠（zhū）絲杠;2 表示滾珠螺母（mǔ）;3 和 4 表示摩擦（cā）片;5 和 6 表（biǎo）示單向離合（hé）器;G 表示作用於滾珠螺母（mǔ） 2 部件的重力;G1 表示作（zuò）用在（zài）部件 2 上的平衡力。當 G－G1＞0 時，則摩擦片 3 和單向離合（hé）器 5 就起製動作（zuò）用，從而製止滾珠螺母向下移動;當 G－G1＜0 時，摩擦片 4 和單向離合器 6 就起製動（dòng）作用，製止滾珠螺母向上移動。

圖 4 使用 2 個單向離合器防止逆轉（zhuǎn）動

選擇防逆轉離（lí）合器（qì）的主要（yào）技術要求（qiú）如下:

④ 規定離合器（qì）的鎖止或解脫方（fāng）向，並（bìng）與電（diàn）機轉向適配。

⑤ 確（què）定連接形式及連接尺寸。

定型產品（pǐn） CKEA 型單向楔塊超越離合器如圖 5所示，內外環均（jun1）采（cǎi）用鍵連接。離合器傳遞轉矩為 30～1 000 N·m，傳動（dòng）效率達 94% ～ 98%。

圖 5 單向楔塊超越離合器

3．2 升降平台（tái）設計

零件設計是整體（tǐ）機構設計的基礎，也是（shì）整體裝配和仿真分析的前提，利用 Solidworks 軟（ruǎn）件的掃描、旋（xuán）轉、拉伸和（hé）除料（liào）等命令，生成天（tiān）線升降平台的三維實體模型，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下是否幹涉（shè），提（tí）高設計的準確性，縮短設計開發時間（jiān），降低設計成（chéng）本（běn）。整體（tǐ）裝配圖如圖 7 所示。

圖 6 升降平台模型

圖 7 整體裝配圖

3．3 升降平台受力分析

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

首先托盤模型進行簡化，並進行網格劃分，然後對模型（xíng）施加約（yuē）束、載荷等（děng）邊界條件，並分配材料參數，最（zuì）後進（jìn）行有限元分析（xī）計算，得到的變形雲圖如圖（tú） 8 所示，應力（lì）雲（yún）圖如圖 9 所示。

圖 8 升降平台（tái）變形雲圖

圖 9 托盤應力雲圖

升降平台的（de）材料為 Q345，彈性模量為 210 GPa，泊（bó）鬆比為（wéi） 0．28，屈服強度為 345 MPa，質量密度為（wéi）7 700 kg / m3。從圖 8 的（de）變形（xíng）分（fèn）析雲圖中（zhōng）可以看（kàn）出，最大變形發生在天線座（zuò）承載（zǎi）處，最大變形為0．21 mm，變形在所選材料（liào）的彈（dàn）性變形範圍內，說明托盤在加速升降過程中隻發生彈性變形，沒發生（shēng）塑性變形，加速（sù）後材料能夠回複（fù）初（chū）始狀態（tài）。從圖 9 的（de）應力分析雲圖中可以看（kàn）出，托盤的最大應力發生在固定孔處，最大值為 49．87 MPa，遠遠小於材料的屈服（fú）強度，說明所（suǒ）選材料性能滿足使用要求，並且存在較（jiào）大的優化空問。

升降機構是基於承受大（dà）承載（zǎi） 800 kg 天線的目的設計生產的，在使用過（guò）程中，該升降機構已無（wú）故障升降 300 多次，使用時間已超過 2 年，穩定（dìng）可靠。結合設計計算和實際應用，在適當的維護保養前提下，該升降機構使用壽命（mìng）可達到 10 年，滿足工況要求。在保證體係架構（gòu）不變的情況下，通過（guò）加大電機功率、增粗絲杠（gàng）直徑、加大絲母的直徑（jìng），就可提高升降機構承載能力，可達到 2 000 kg 以上，為日益發展的大型（xíng）天線配套服務。

4 、結束語

通過設計計算及仿真分析，該機動式車載天線升降機構能夠滿足軍用通信指揮車（chē）輛（liàng）和民用特種（zhǒng）車輛對移動式天線的工作要求。運（yùn）輸狀態下（xià），升降機構可快速將天線降到方艙艙體內，降低載車的重心，保證公路行駛的平穩性和安（ān）全（quán）性，同（tóng）時滿足鐵路運輸限（xiàn）高要求。工作展開時，天線升降平穩迅速，加速無顫動，定位精度高。目前，該升降機構已廣泛應用於軍用方艙內，操作簡單，使用穩定可靠，對於同類產品的設計具（jù）有一定的參考價值。

作者簡介：矯海男，(1969—)，畢業於河北機電學院機械製造工藝與設備專業，工程師。主要研究方向:機械傳動和電子設備及車輛方艙結構設（shè）計。

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