一種機動式車載天線升降機構設計
2020-3-10 來源： 中國電子科技集團公司第五十四研究所 作者：矯 海
摘 要: 基于車載天線需要升降的需求，設計了一種天線升降機構。對天線升降機構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系統組成及工作原理，完成了驅動裝置的設計計算，對防逆轉的超越離合器進行了設計選型，對關鍵承載部件進行了力學仿真分析。該升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，滿足使用要求。
關鍵詞: 升降機構; 絲杠; 升降平臺; 有限元分析
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，要把車載天線收到車內，滿足公路、鐵路和空運等對車外形限制條件。因此，需有一套升降機構來擔負天線的架設和撤收任務。機械式升降機構作為天線系統的工作平臺，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長時間工作而產生的安全隱患問題。
采取有效合理的措施來保證設計指標的實現成為結構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系統設計過程、關鍵部件的設計計算以及參數的選取，并進行了仿真驗證，以期滿足系統要求，為拓展高強度承載力的升降機構設計打下基礎。
1、 天線升降機構特點分析
市場上常用的天線升降機構主要有絲杠絲母機械傳動、鋼絲繩傳動和液壓系統傳動等結構。下面對 3 種類型的升降機構進行對比分析。
1．1 絲杠絲母機械傳動
絲杠絲母機械傳動的升降機構由電機、減速機和絲杠絲母等組成，結構簡單，傳動安全可靠。升降機構主要執行件也是負載承擔部件，絲杠絲母采用滾珠絲杠副結構，滾珠絲杠傳動平穩、效率高，且不易磨損。
在安全性方面，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，受自然環境影響較小，滿足設備在各種環境下工作的要求。
天線在架設狀態下，天線升降機構大部分結構伸出到艙外。這樣，升降機構需要滿足防沙塵、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境適應性要求。升降機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構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系數小的材料。
④ 有鎖緊裝置使其在振動沖擊環境下能夠正常使用。
1．2 鋼絲繩傳動
鋼絲繩傳動升降機構的鋼絲繩易磨損，其壽命比滾珠絲杠副結構的升降機構低很多。鋼絲繩結構升降機構屬于非剛性傳動，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。
在環境適應性方面，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方面的負擔。
1．3 液壓系統傳動
液壓傳動升降機構的液壓系統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，液壓系統會出現內泄和外泄現象，這樣會影響產品的清潔度，液壓升降機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，因為液壓油中的雜質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。在環境適應性方面，液壓升降機構的密封件一般采用橡膠材質，在高、低溫環境下會加速其老化，影響液壓系統的密封性;另外，液壓油受高低溫影響需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許多優點。本文介紹的天線升降機構滾珠絲杠副基本參數為: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，執行 GB / T17587—1998 標準。此參數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 700 000 次以上，壽命 15 年，遠遠大于天線升降機構對絲杠絲母的要求。天線升降機構其他齒輪系傳動基本均是通用傳動結構，零部件和整件的可靠性指標均不小于產品的可靠性指標。
2 、整體布局與設計計算
2．1 系統組成及工作原理
天線升降機構采用絲杠傳動，整個機構含有控制裝置、驅動裝置、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、電機及減速機驅動機構、升降機、T 型換向器、手搖裝置和排水裝置等組成，如圖 1所示。
圖 1 天線升降機構外形
交流異步電機提供動力，經過減速機降低轉速，傳送動力給 T 型換向器轉換動力方向，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 天線升降機構原理
2．2 設計計算
2．2．1 設計需求
升降機構動力供電 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;根據運輸車輛方艙的內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格尺寸參數，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;動力驅動電機選定 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，進行環環相扣的設計計算過程。從電機的高轉速到絲杠的緩速平穩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。
2．2．3 總功率核算
通過設計計算確定了減速比，初步選定了電參數，此步驟要驗證所選電機的功率能否滿足設計
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動扭矩是否滿足設計要求。單根滾珠絲杠抬升重物的扭矩:
升降機的總扭矩值:
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，因部件自重而產生的逆轉動。防逆轉可以采用超越離合器或不能逆傳動的驅動電機，也可以采用不能逆轉的傳動裝置(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 3 中，1 表示外環;2 表示滾柱;3 表示彈簧;4 表示星形輪( 內環) 。當星形輪 4( 內環) 有順時針轉動的趨勢(即逆轉)時，若在外環 1 上施加一個適當的阻力矩，可防止與內環 4 裝在一起的滾珠絲杠順時針方向逆轉，而只允許絲杠作逆時針方向的轉動。
圖 3 單向超越離合器
當要防止滾珠絲杠副雙向逆轉時可以采用圖4 所示的結構。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 就起制動作用，制止滾珠螺母向上移動 。
圖 4 使用 2 個單向離合器防止逆轉動
選擇防逆轉離合器的主要技術要求如下:
④ 規定離合器的鎖止或解脫方向，并與電機轉向適配。
⑤ 確定連接形式及連接尺寸。
定型產品 CKEA 型單向楔塊超越離合器如圖 5所示，內外環均采用鍵連接。離合器傳遞轉矩為 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、旋轉、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下是否干涉，提高設計的準確性，縮短設計開發時間，降低設計成本。整體裝配圖如圖 7 所示。
圖 6 升降平臺模型
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，并進行網格劃分，然后對模型施加約束、載荷等邊界條件，并分配材料參數，最后進行有限元分析計算，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，最大變形發生在天線座承載處，最 大 變形為0．21 mm，變形在所選材料的彈性變形范圍內，說明托盤在加速升降過程中只發生彈性變形，沒發生塑性變形，加速后材料能夠回復初始狀態。從圖 9 的應力分析云圖中可以看出，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，并且存在較大的優化空問。
升降機構是基于承受大承載 800 kg 天線的目的設計生產的，在使用過程中，該升降機構已無故障升降 300 多次，使用時間已超過 2 年，穩定可靠。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可達到 10 年，滿足工況要求。在保證體系架構不變的情況下，通過加大電機功率、增粗絲杠直徑、加大絲母的直徑，就可提高升降機構承載能力，可達到 2 000 kg 以上，為日益發展的大型天線配套服務。
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輛和民用特種車輛對移動式天線的工作要求。運輸狀態下，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，天線升降平穩迅速，加速無顫動，定位精度高。目前，該升降機構已廣泛應用于軍用方艙內，操作簡單，使用穩定可靠，對于同類產品的設計具有一定的參考價值。
作者簡介：矯 海 男，(1969—)，畢業于河北機電學院機械制造工藝與設備專業，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計。
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