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

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)動要求。高機(jī)動中大型雷達(dá)系統(tǒng)的天線倒伏機(jī)構(gòu)設(shè)計是雷達(dá)接結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵點(diǎn)。雷達(dá)天線的展開架設(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)時倒伏機(jī)構(gòu)必須收藏在天線機(jī)柜內(nèi),對機(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)同步雙桿推動缸機(jī)構(gòu),為該類型的產(chǎn)品設(shè)計提供了一種思路和解決方法。

1 天線倒伏裝置傳動形式確定

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)與撤收簡圖見圖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)計了電動雙桿推動缸機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)天線的倒伏動作。電動雙桿推動缸在雷達(dá)系統(tǒng)中安裝示意如圖2所示,電動雙桿推動缸的下鉸鏈安裝在雷達(dá)天線座支撐軸孔處,雙桿推動缸體的上鉸鏈安裝在雷達(dá)天線框架支撐軸孔處,通過控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)電動雙桿推動缸直線輸出,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)與撤收原理簡圖

圖2 電動雙桿推動缸安裝示意圖

2 電機(jī)并聯(lián)同步雙桿推動缸機(jī)構(gòu)設(shè)計方案

電動雙桿推動缸主要功能是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)楦左w往復(fù)直線運(yùn)動。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,傳動減速比應(yīng)該是越大越有利,通過計算核算后,該電動缸采用電機(jī)連接減速器,經(jīng)并聯(lián)雙級展開式齒輪組三次減速后,通過滾珠絲杠進(jìn)行直線運(yùn)動輸出。電動雙桿推動缸是伺服電動機(jī)、減速器、并聯(lián)雙級展開式齒輪組(包括初級動力齒輪、中級疊連傳動齒輪、末級轉(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。控制指令信號通過伺服控制單元控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動輸入至兩級減速器,然后通過動力齒輪嚙合傳遞到并聯(lián)雙級展開式齒輪組輸出減速后的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,再通過滾珠絲杠的一端杠頭螺紋緊固,最終通過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[2],原理圖如圖3所示。

1-伺服電機(jī) 2-行星減速器 3-初級動力齒輪 4-中級疊連齒輪5-支撐軸承 6-末級轉(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 電動并聯(lián)同步雙桿推動缸原理圖

3 電動同步雙桿推動缸的設(shè)計過程

3.1 技術(shù)參數(shù)設(shè)計計算

這種電動同步雙桿推動缸的設(shè)計是以雷達(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)計反推。反推得出的數(shù)據(jù)確定傳動級數(shù)、伺服電機(jī)所需力矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù),該電動同步雙桿推動缸往復(fù)直線部件選用高精度滾珠絲杠傳動。

3.1.1 滾珠絲杠驅(qū)動力矩的設(shè)計計算

(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 電動雙桿推動缸傳動總效率的設(shè)計計算

η=η1×η2×η3=0.9×0.9×0.9=0.729

(2)

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

3.1.3 電動雙桿推動缸輸出端理論功率的設(shè)計計算

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)計計算

(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)計計算

(5)

其中:u為并聯(lián)雙級展開式齒輪組減速比,根據(jù)計算值為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 電動缸滾珠絲杠驅(qū)動力矩輸出數(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。

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

3.2 并聯(lián)雙級式齒輪組設(shè)計計算

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

3.2.1 計算初級動力齒輪接觸疲勞強(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)度計算齒輪分度圓直徑[2-3]。

3.2.2 初級動力齒輪分度圓直徑計算

(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)計計算

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。以上計算及校核步驟可計算設(shè)計余下齒輪組齒輪的傳動參數(shù)[2-3],并聯(lián)雙級式齒輪組4種齒輪參數(shù)見表1所示。

表1 并聯(lián)雙級式齒輪組4組齒輪參數(shù)表

4 主要結(jié)構(gòu)形式設(shè)計

4.1 并聯(lián)雙級展開式齒輪組件

由于該電動同步雙桿推動缸體積和重量有要求限制,所以根據(jù)此限制設(shè)計了并聯(lián)雙級展開式齒輪組,本產(chǎn)品設(shè)計的齒輪組由初級動力齒輪、中級疊連傳動齒輪、末級轉(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)簡單緊湊互換性強(qiáng),與普通的齒輪傳動箱比較,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)雙級展開式齒輪組件結(jié)構(gòu)圖

4.2 電動同步雙桿推動缸結(jié)構(gòu)與UG有限元仿真

并聯(lián)同步雙桿推動缸機(jī)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、高精度減速器、并聯(lián)雙級展開式齒輪組和齒輪箱,緊固螺母、一級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緊固螺栓固定在并聯(lián)雙級展開式齒輪箱上,減速器的輸出齒輪與中級疊連齒輪嚙合傳動連接,中級疊連齒輪與末級轉(zhuǎn)向齒輪嚙合傳動,兩根滾珠絲杠的杠體根部通過異側(cè)雙鍵及螺紋緊固其中心軸與末級轉(zhuǎn)向齒輪相連接,其后推動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)左右推動缸筒同步直線伸縮動作[2-3]。 圖5所示為電動同步雙桿推動缸的結(jié)構(gòu)圖。

1-伺服電機(jī) 2-減速器 3-初級動力齒輪 4-中級疊連傳動齒輪5-末級轉(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-推動缸筒 11-手動裝置 12-外殼圖5 電動并聯(lián)同步雙桿推動缸

電動雙桿推動缸受到徑向載荷和安裝姿態(tài)的影響,使推動缸伸出時受到徑向載荷和轉(zhuǎn)動力矩而導(dǎo)致推動缸發(fā)生撓曲變形。撓曲變形會導(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)定推動缸伸出長度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,在推動缸筒、固定筒、外殼等承力件材料確定后,在電動同步雙桿推動缸重量允許范圍內(nèi),運(yùn)用UG有限元仿真軟件對整機(jī)的承載力矩下,進(jìn)行仿真并對結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化和改善,對各個重要零件反復(fù)優(yōu)化迭代設(shè)計,最終電動缸的重量為175kg,滿足產(chǎn)品要求。對電動同步雙桿推動缸整機(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,受最大應(yīng)力值為170Mpa,應(yīng)力小于推動缸筒、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,推動缸筒運(yùn)行時不會出現(xiàn)卡滯,電動同步雙桿推動缸剛強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

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)電動雙桿推動缸滿足系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求,電動缸同步雙桿推動缸運(yùn)行穩(wěn)定,樣機(jī)測試如表2。

表2 電動雙桿推動缸指標(biāo)參照表

6 結(jié)束語

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