新型車載設備快速拆裝裝置結構設計

陳鑫陽，王興全，史英桂，劉 旭，劉 偉，熊成強

(天津航海儀器研究所，天津 300131)

0 引言

近年來隨著我國國民經濟的發展、汽車工業的進步，特種作業車輛規模越來越大，種類也發展得越來越全面，覆蓋了軍事、民用等多個領域，執行專業的監測、測量、消防、醫療、清潔、作戰等任務。在特種車輛完成相關作業時，隨車設備必不可少，車載設備是完成相關工作的基本保障，同時絕大部分特種作業車輛的工作環境較為惡劣，這就對車載設備的可靠性提出了較高的要求。特種車輛在執行任務時，有一些任務要求操作人員手持設備在車上或者車下進行作業，在高頻作業的情況下，設備與車輛的連接方式就尤為重要，傳統的螺釘緊固方式十分費時、費力，因此這就要求對這些設備用一些特殊的方式進行固定。此外，若設備安裝不牢靠，則車輛在移動時，設備就會存在損壞的危險，嚴重時還可能會造成人員的受傷。針對此種情況，本文設計了一種特種作業車輛車載設備快速拆裝裝置，可以保證操作人員隨時取用和安裝設備，極大地節省了準備時間，同時具有高可靠性，保證惡劣工況時設備的安裝穩定性。

1 快速拆裝裝置結構設計

本文所述的新型車載設備快速拆裝裝置主要由鎖緊組件和支架組件組成，具體結構如圖1所示。鎖緊機構部件3與導向部件4一部分緊固在鎖緊組件1上，一部分緊固在支架組件2上，起到連接、緊固裝置的作用。裝置安裝時，通過支架組件2背部螺釘孔與車體連接，支架組件2上兩個弧形鈑金件與其焊接，目的是保證將設備導入裝置中，同時起到支撐設備的作用，為鎖緊機構部件、導向部件創造安裝空間。

鎖緊組件結構如圖2所示。安裝時，首先將鎖緊機構彈簧34放置在鎖緊機構殼體32內腔中，將鎖緊機構芯軸33從上至下依次穿過鎖緊機構彈簧34、鎖緊機構殼體32底部孔洞，用力壓入，直至從部件外部看到鎖緊機構芯軸33下部環形溝槽，此時將開口擋圈35卡在鎖緊機構芯軸33環形溝槽內；然后將圓柱銷37與鎖緊機構芯軸33通過壓力機壓入的方式裝配，保證兩者之間緊密配合；最后將蝶形旋鈕31通過螺釘緊固，此時鎖緊機構部件組裝完成。

1-鎖緊組件；2-支架組件；3-鎖緊機構部件；4-導向部件

31-蝶形旋鈕；32-鎖緊機構殼體；33-鎖緊機構芯軸；34-鎖緊機構彈簧；35-開口擋圈；36-楔形卡塊；37-圓柱銷

裝置組裝時，楔形卡塊36法蘭端面與設備端螺釘緊固，鎖緊機構殼體32法蘭端面與鎖緊結構件緊固，鎖緊機構彈簧34的剛度根據固定的設備重量進行調整，鎖緊機構殼體32與楔形卡塊36之間的間隙通過實際工作情況可做調整。工作時，鎖緊機構芯軸33與圓柱銷37通過楔形卡塊36中的孔洞，通過后旋轉蝶形旋鈕31，使圓柱銷37沿著楔形卡塊36斜面滑動，蝶形旋鈕31旋轉90°時，圓柱銷37彈入楔形卡塊36凹槽內，依靠鎖緊機構彈簧彈力達到鎖緊目的。楔形卡塊36凹槽的作用是保證圓柱銷37在非外力的作用下無法脫出。

導向部件結構如圖3所示。安裝時，首先將導向部件彈簧43放置在導向部件外殼42內腔，然后將導向部件芯軸41依次穿過導向部件外殼42頂部孔洞、導向部件彈簧43，最后由導向部件壓板44壓縮導向部件彈簧43，通過螺釘與導向部件芯軸41緊固。因為此部件作用是導向功能，因此導向部件外殼42與導向部件彈簧43、導向部件外殼42與導向部件壓板44之間的間隙不宜過大，在不影響運動的前提下，間隙越小越好，間隙值可根據實際工作情況而定。

41-導向部件芯軸；42-導向部件外殼；43-導向部件彈簧；44-導向部件壓板

裝置組裝時，將導向部件芯軸41安裝在鎖緊組件上，然后將導向部件外殼42安裝在支架組件上，以實現兩者間的導向作用。其中，導向部件彈簧的作用有兩個：一是當進行設備安裝時輔助操作人員將鎖緊組件與支架組件貼合；二是防止設備拆卸后，操作人員忘記將鎖緊機構部件進行鎖緊，造成車輛運動時裝置發生異響。因此，導向部件彈簧剛度的選取主要依據鎖緊組件的質量而定。

當裝置組裝完成后，裝入設備時首先將鎖緊機構部件3旋轉打開，拉動把手，將設備放入支架組件2中，然后將把手松開，此時由于導向部件4的導向作用，可以保證鎖緊機構部件3中的鎖緊機構芯軸33與圓柱銷37精準地通過楔形卡塊36中的孔洞，最后旋轉蝶形旋鈕31，鎖緊設備，保證車輛進行特種作業或者車輛通過惡劣工況時設備的穩定性。

2 隨機振動

在車載環境下，設備會受到自身或者外部的不確定載荷影響，對于這種不確定性，通常情況下基于統計學原理，認為隨機振動穩態的隨機過程是符合正態分布的，對于車載設備應通過隨機振動分析來計算其內部的變形和應力是否滿足設計要求。其中，隨機振動結果值1σ(σ為標準差)表示出現小于該仿真結果的概率為68.269%；2σ表示出現小于該仿真結果的概率為95.45%；3σ表示出現小于該仿真結果的概率為99.73%。

根據國家軍用標準GJB150.16A中關于振動試驗部分規定，選取組合輪式車振動環境，其加速度譜密度曲線如圖4所示。

圖4 組合輪式車振動環境的加速度譜密度曲線

設備裝置支架組件采用1.5 mm厚的鋼板，利用鈑金工藝將其加工成型，導向部件與鎖緊部件采用機加工方式加工成型。在利用ANSYS軟件進行有限元仿真時，將設備通過質量點的方式插入，質量點設置為2.5 kg。裝置材料的材料屬性如表1所示。

表1 裝置材料屬性

根據組合輪式車振動環境，對設計的車載設備快速拆裝裝置進行隨機振動分析，得出如圖5所示的應力和變形云圖。

圖5 車載設備快速拆裝裝置的1σ應力、變形云圖

由圖5可知，振動譜為1σ時(即變形和應力小于上述云圖的概率為62.268%)，裝置的最大應力為63.8 MPa，遠小于裝置材料(20Cr13不銹鋼)的許用應力值；在X、Y、Z方向上的最大變形量分別為0.38 mm、0.19 mm、0.12 mm。

振動譜為2σ時(即變形和應力小于上述云圖的概率為95.45%)，裝置在垂向、橫向、縱向的變形及應力如圖6所示。由圖6可知：裝置的最大應力為127.55 MPa，小于裝置材料(20Cr13 不銹鋼)的許用應力值；在X、Y、Z方向上的最大變形量分別為0.76 mm、0.38 mm、0.23 mm。

圖6 車載設備快速拆裝裝置的2σ應力、變形云圖

振動譜為3σ時(即變形和應力小于上述云圖的概率為99.73%)，裝置在垂向、橫向、縱向的變形及應力如圖7所示。由圖7可知：裝置的最大應力為191.33 MPa，小于裝置材料(20Cr13 不銹鋼)的許用應力值；在X、Y、Z方向上的最大變形分別為1.14 mm、0.57 mm、0.35 mm，設計滿足使用需求。

圖7 車載設備快速拆裝裝置的3σ應力、變形云圖

綜合圖5～圖7可知：最大應力集中在支架組件背板處，由于支架組件采用鈑金折彎，整體成型，未采用其他工藝處理，針對此種情況可以對支架組件背板處沖壓加強筋等方式進行處理；最大變形主要在支架組件右前端，因為此處懸置，可以在此處折彎邊緣采用鈑金壓死邊工藝處理，加強此處剛度。

3 結論

本文針對現有特種車輛車載設備應用情況，提出一種新型設備安裝方式，以滿足設備在惡劣工況條件下的使用。通過對結構進行隨機振動分析，最大的3σ應力為191.33 MPa，最大3σ形變為1.14 mm，滿足設計需求。