喬 梁 嚴(yán)榮軍

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所高端電子裝備工業(yè)設(shè)計(jì)中心 西安 710068）

1 引言

升降桿在通信、雷達(dá)等領(lǐng)域，尤其是便攜車載式設(shè)備上，應(yīng)用十分廣泛，如架高天線、移動(dòng)式通信設(shè)備、應(yīng)急照明等［1～3］。為更好地提高通信或雷達(dá)天線性能，通過升降桿將天線架高是一種有效途徑［4］，其中車載天線架高的目的是為了避免車體遮擋波束，擴(kuò)大有效作用范圍，以充分發(fā)揮其性能［5～7］。

升降桿主要為車載天線架高設(shè)備提供平臺(tái)支撐并實(shí)現(xiàn)升降功能，需保證設(shè)備架高后工作時(shí)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，因此亟需對(duì)升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行深入研究分析［8～10］。

在上述研制背景下，文中以某車載天線的架高需求為工程應(yīng)用背景，以其主要功能和技術(shù)指標(biāo)為設(shè)計(jì)輸入，設(shè)計(jì)了一種具有電動(dòng)兼具手動(dòng)模式的內(nèi)置式升降桿，可快速、安全可靠地實(shí)現(xiàn)天線的自動(dòng)架設(shè)和撤收功能。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

該升降桿由減速器、固定缸、活動(dòng)缸1、活動(dòng)缸2、活動(dòng)缸3、活動(dòng)缸4、鎖定機(jī)構(gòu)、順序機(jī)構(gòu)、限位機(jī)構(gòu)組成，圖1 為升降桿收回狀態(tài)的結(jié)構(gòu)組成示意圖。通過各活動(dòng)缸、鎖定機(jī)構(gòu)、順序機(jī)構(gòu)、限位機(jī)構(gòu)的串聯(lián)配合動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)各個(gè)活動(dòng)缸上升、下降和到位鎖定。

圖1 升降桿結(jié)構(gòu)組成圖

升降桿升降過程中可以控制每個(gè)活動(dòng)缸的順序，未參與運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)缸和固定缸被鎖緊為一體，避免運(yùn)輸或者升降過程相鄰缸體產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，導(dǎo)致磨損或運(yùn)動(dòng)干擾；此外具有手動(dòng)和電動(dòng)雙工作模式，可實(shí)現(xiàn)升降過程的任意位置停止和鎖定，適應(yīng)各種工作場(chǎng)合；同時(shí)設(shè)計(jì)過程中采用模塊化設(shè)計(jì)原則，各主要機(jī)構(gòu)和部件外部可見、可拆解，可快速維修和更換。

2.2 升降工作原理

升降桿上升和下降過程中，相鄰活動(dòng)缸及固定缸的鎖定與解鎖原理如圖2所示，其中圖2（a）所示為活動(dòng)缸2 正在上升，活動(dòng)缸1 與固定缸固定為一體的狀態(tài)，活動(dòng)缸2上的A 點(diǎn)為鎖孔，B點(diǎn)為楔槽斜面。

圖2 相鄰活動(dòng)缸鎖定與解鎖原理圖

圖2（b）所示為活動(dòng)缸2繼續(xù)上升，順序機(jī)構(gòu)的鎖軸在彈簧彈力作用下通過B 點(diǎn)斜面滑入槽內(nèi)，脫離固定缸桿頭上的順序鎖鎖座，解開活動(dòng)缸1 與固定缸的鎖定狀態(tài)；隨后活動(dòng)缸2 上升到其A 點(diǎn)鎖孔與活動(dòng)缸1 的鎖定機(jī)構(gòu)鎖軸對(duì)齊時(shí)，活動(dòng)缸2 上的特定結(jié)構(gòu)會(huì)帶動(dòng)處于解鎖狀態(tài)的活動(dòng)缸1一起上升。

圖2（c）所示為活動(dòng)缸1 和活動(dòng)缸2 一起離開固定缸桿頭，固定缸桿頭的鎖定機(jī)構(gòu)鎖舌脫離鎖定機(jī)構(gòu)的鎖軸，鎖軸在彈簧彈力作用下插入活動(dòng)缸2的鎖孔內(nèi)，將活動(dòng)缸1 和活動(dòng)缸2 鎖定為一體。之后活動(dòng)缸2 下端的絲杠螺母脫離梯形絲杠，活動(dòng)缸1 下端的絲杠螺母嚙合上梯形絲杠，推動(dòng)兩者一體上升。

活動(dòng)缸2、活動(dòng)缸3 和活動(dòng)缸4 的上升、順序機(jī)構(gòu)解鎖、鎖定機(jī)構(gòu)鎖定原理同上。各活動(dòng)缸的下降過程與上升過程原理相反，整個(gè)機(jī)構(gòu)上升到位后的狀態(tài)如圖3所示。

圖3 升降桿伸出狀態(tài)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的架高天線升降桿主要包括減速器、活動(dòng)杠缸體、順序機(jī)構(gòu)、鎖定機(jī)構(gòu)以及限位機(jī)構(gòu)五大模塊組成，下面對(duì)各模塊結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.1 減速器

減速器由箱體、電機(jī)、大齒輪、小齒輪1、小齒輪2、軸承、基座、梯形絲杠組成，如圖4所示。其中箱體實(shí)現(xiàn)內(nèi)部各齒輪、軸承、基座及梯形絲杠的支撐作用，電動(dòng)模式下電機(jī)帶動(dòng)小齒輪1 轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪1 帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪帶動(dòng)梯形絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)；手動(dòng)模式下通過手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)小齒輪2，小齒輪2 帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪帶動(dòng)梯形絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4 減速器結(jié)構(gòu)組成圖

3.2 活動(dòng)缸缸體

活動(dòng)缸缸體由缸體、絲杠螺母、桿頭、順序鎖鎖座、鎖定機(jī)構(gòu)鎖舌組成，如圖5 所示。絲杠螺母安裝在缸體下端，實(shí)現(xiàn)與梯形絲杠的嚙合，將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺母的上下直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)缸體升降；桿頭安裝在缸體頂部，用于固定鎖定機(jī)構(gòu)、順序機(jī)構(gòu)、限位機(jī)構(gòu)；順序鎖鎖座用于鎖定順序機(jī)構(gòu)鎖軸，鎖定機(jī)構(gòu)鎖舌驅(qū)動(dòng)鎖定機(jī)構(gòu)鎖軸解鎖。

圖5 缸體結(jié)構(gòu)組成圖

3.3 順序機(jī)構(gòu)與鎖定機(jī)構(gòu)

順序機(jī)構(gòu)和鎖定機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成相近，均由鎖座、鎖軸、彈簧組成，如圖6 和圖7 所示。兩者均安裝在活動(dòng)缸缸體桿頭上，通過上一級(jí)活動(dòng)缸上的楔槽斜面及桿頭上的鎖定機(jī)構(gòu)鎖舌分別與彈簧相互作用驅(qū)動(dòng)鎖軸左右移動(dòng)，脫離或插入相應(yīng)的鎖座和鎖孔，實(shí)現(xiàn)升降過程中活動(dòng)缸的解鎖與鎖定。

圖6 順序機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖7 鎖定機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3.4 限位機(jī)構(gòu)

限位機(jī)構(gòu)由箱體、伸縮組件、撥桿、壓桿、彈簧1、彈簧2、限位開關(guān)1、限位開關(guān)2 組成，如圖8 所示。箱體安裝在固定缸上，撥桿、壓桿、彈簧1、彈簧2、限位開關(guān)安裝在箱體內(nèi)，伸縮組件安裝在各活動(dòng)缸體桿頭上。撤收下降時(shí)，最上端活動(dòng)缸4 桿頭下降到預(yù)定最低位置后，壓縮伸縮組件，通過層層傳遞，最后傳遞到壓桿上，壓縮限位開關(guān)1 觸片，觸發(fā)下降到位信號(hào)，停止運(yùn)動(dòng)并使整個(gè)機(jī)構(gòu)鎖定在此狀態(tài)。架設(shè)上升時(shí)，活動(dòng)缸1上升到位后，彈簧1拉動(dòng)撥桿，壓縮限位開關(guān)2 觸片，觸發(fā)上升到位信號(hào)，停止運(yùn)動(dòng)并使整個(gè)機(jī)構(gòu)鎖定在此狀態(tài)。

圖8 限位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

4 設(shè)計(jì)指標(biāo)校核

升降桿為設(shè)備提供安裝平臺(tái)和穩(wěn)定支撐，并實(shí)現(xiàn)其上升架設(shè)和下降撤收功能，以滿足其架高需求，其主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：設(shè)備架設(shè)工作時(shí)水平最大允許傾角≤3°，平均升/降時(shí)間（單程）≤5min，以下通過理論計(jì)算和有限元仿真對(duì)其進(jìn)行指標(biāo)校核驗(yàn)證。

4.1 水平傾角

造成水平方向上變形的主要因素是結(jié)構(gòu)配合間隙和架高工作中的風(fēng)載荷。

結(jié)構(gòu)配合間隙主要是相對(duì)滑動(dòng)部位的配合間隙，其中固定缸和活動(dòng)缸1、活動(dòng)缸1和活動(dòng)缸2、活動(dòng)缸2和活動(dòng)缸3、活動(dòng)缸3和活動(dòng)缸4的配合尺寸分別為?90 H8/h10，?110 H8/h10，?130 H8/h10，?150 H8/h10，最大間隙分別為0.097mm，0.097mm，0.112mm，0.112mm。伸出狀態(tài)下相鄰桿件組合重合長(zhǎng)度83mm，因此計(jì)算出水平晃動(dòng)角度為

θ1=θ2=arctan（0.097/83）=0.067°；

θ3=θ4=arctan（0.112/83）=0.077°。

升降桿在20m/s 風(fēng)環(huán)境下保精度工作，其主要承受的載荷是風(fēng)載荷，風(fēng)載荷對(duì)升降桿的作用取決于升降桿的外形、尺寸及風(fēng)力等因素。其受力狀態(tài)如圖9所示。

圖9 升降桿承受風(fēng)力示意圖

風(fēng)載荷計(jì)算公式［11～12］如下：

其中：q=1/2ρv2（ρ為空氣密度1.25kg/m3，v 為工作風(fēng)速20 m/s）；Ai為升降桿各部分迎風(fēng)面積；CD為升降桿風(fēng)阻力系數(shù)。

將各缸體及設(shè)備受到的風(fēng)力全部等效折算到升降桿頂部設(shè)備上，計(jì)算得到的升降桿頂部等效載荷FD=77N。

建立升降桿簡(jiǎn)化模型，并對(duì)其頂端施加等效載荷，通過ANSYS有限元仿真得到：

升降桿頂部水平橫向最大變形量為1.6mm，對(duì)應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角度θ5=arctan（1.6/3000）=0.03°，最大應(yīng)力為5.25MPa，遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度150MPa，如圖10 所示。因此，升降桿的強(qiáng)度和剛度均滿足工況使用要求。

圖10 升降桿在20m/s風(fēng)載作用下的受力分析

因此，理論計(jì)算可得到總水平傾角晃動(dòng)量為

經(jīng)計(jì)算，θ=0.318° ≤3°。

綜上，設(shè)備架設(shè)工作時(shí)水平最大允許傾角滿足總體設(shè)計(jì)指標(biāo)需求。

4.2 升降參數(shù)

采用電動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)時(shí)，升降桿伸出和收回和的高度約為3m 和1.5m，升高行程1.5m，絲桿螺紋規(guī)格選取為Tr48×8（P4）自鎖螺紋，則伸出和收回過程絲杠需要轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)n為n=1500/8=375r，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的梯形絲杠轉(zhuǎn)速為500r/min，計(jì)算得：

架設(shè)和撤收時(shí)間為45s ≤5min，滿足架設(shè)時(shí)間需求。

采用手動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)時(shí)，需要對(duì)其推力進(jìn)行計(jì)算，避免人工操作時(shí)過于費(fèi)力。其中升降桿上自身運(yùn)動(dòng)部分及承載設(shè)備重量約m=50kg，減速箱傳動(dòng)比i=3，總體傳動(dòng)效率取γ=0.6，則旋轉(zhuǎn)摩擦力矩可用下式計(jì)算：

式中：Ph為梯形絲杠螺紋的導(dǎo)程。

計(jì)算得出：旋轉(zhuǎn)摩擦力矩M=0.35N.m，手動(dòng)模式下活動(dòng)手柄旋轉(zhuǎn)半徑設(shè)計(jì)r=0.2m。因此手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)推力有：

經(jīng)計(jì)算，推力為F=1.75N，普通人可以輕松轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，升降桿在手動(dòng)模式下能夠輕松轉(zhuǎn)動(dòng)。

綜上，升降桿在電動(dòng)模式和手動(dòng)模式下的平均升/降時(shí)間均滿足總體設(shè)計(jì)指標(biāo)需求。

5 結(jié)語

文中主要進(jìn)行了一種天線升降桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該升降桿主體由多節(jié)活動(dòng)缸、固定缸和減速器構(gòu)成，使用可自鎖的梯形絲杠副驅(qū)動(dòng)各活動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)，通過各活動(dòng)缸桿頭上安裝的鎖定機(jī)構(gòu)和順序機(jī)構(gòu)連接和控制升降運(yùn)動(dòng)過程及順序，通過限位機(jī)構(gòu)控制升降到位位置，并具備電動(dòng)和手動(dòng)雙工作模式。指標(biāo)分析結(jié)果表明該升降桿性能滿足總體設(shè)計(jì)指標(biāo)需求，且實(shí)際操作上靈活簡(jiǎn)單，能夠快速實(shí)現(xiàn)架升天線的功能需求。該升降桿采用內(nèi)置式設(shè)計(jì)，故而結(jié)構(gòu)緊湊，外形美觀。