一種單電機并聯同步雙桿推動缸機構設計

張 琳 周勇軍 張 翔

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

某車載雷達是一種中大型車載機動類型雷達,天線陣面大,必須收藏于載車車廂內,以滿足雷達的公路、鐵路運輸機動要求。高機動中大型雷達系統的天線倒伏機構設計是雷達接結構設計的關鍵點。雷達天線的展開架設需要倒伏機構方便、快捷,撤收、運輸要安全可靠。

某車載雷達系統在架設工作和撤收狀態時倒伏機構必須收藏在天線機柜內,對機構的外形尺寸有嚴格要求,一般的機構不能滿足空間要求,需要設計一種新機構[1],文中介紹了一種單電機并聯同步雙桿推動缸機構,為該類型的產品設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

該雷達天線陣面尺寸為5m×3m,為滿足雷達系統在運輸方面的要求,天線陣面需要倒伏收藏與車廂內,雷達天線架設與撤收簡圖見圖1所示。依據某車載雷達產品天線倒伏系統應用技術要求及空間布局,設計了電動雙桿推動缸機構實現天線的倒伏動作。電動雙桿推動缸在雷達系統中安裝示意如圖2所示,電動雙桿推動缸的下鉸鏈安裝在雷達天線座支撐軸孔處,雙桿推動缸體的上鉸鏈安裝在雷達天線框架支撐軸孔處,通過控制伺服電機實現電動雙桿推動缸直線輸出,雷達天線繞天線座旋轉中心旋轉,從而實現車載雷達天線俯仰方向的架設和撤收。

圖1 雷達天線架設與撤收原理簡圖

圖2 電動雙桿推動缸安裝示意圖

2 電機并聯同步雙桿推動缸機構設計方案

電動雙桿推動缸主要功能是將電機的旋轉運動轉變為缸體往復直線運動。根據總體負載空間的布局和要求,在極有限的空間體積要求下,傳動減速比應該是越大越有利,通過計算核算后,該電動缸采用電機連接減速器,經并聯雙級展開式齒輪組三次減速后,通過滾珠絲杠進行直線運動輸出。電動雙桿推動缸是伺服電動機、減速器、并聯雙級展開式齒輪組(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成?？刂浦噶钚盘柾ㄟ^伺服控制單元控制伺服電機旋轉運動輸入至兩級減速器,然后通過動力齒輪嚙合傳遞到并聯雙級展開式齒輪組輸出減速后的旋轉運動,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動[2],原理圖如圖3所示。

1-伺服電機 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 電動并聯同步雙桿推動缸原理圖

3 電動同步雙桿推動缸的設計過程

3.1 技術參數設計計算

這種電動同步雙桿推動缸的設計是以雷達系統天線倒伏技術要求為依據,從輸出端最大要求技術指標向輸入端設計反推。反推得出的數據確定傳動級數、伺服電機所需力矩、轉速等參數,該電動同步雙桿推動缸往復直線部件選用高精度滾珠絲杠傳動。

3.1.1 滾珠絲杠驅動力矩的設計計算

(1)

其中:T為轉矩,單位N·m;F為軸向力,單位N;L為滾珠絲杠導程,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計計算

η=η1×η2×η3=0.9×0.9×0.9=0.729

(2)

其中:η1、η2為并聯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 伺服電機行星減速器端所需的最小功率的設計計算

(4)

3.1.5 伺服電機行星減速器端所需的最大轉速n的設計計算

(5)

其中:u為并聯雙級展開式齒輪組減速比,根據計算值為4.1。

取電機功率P0=1500W,電機+行星減速器轉速250r/min。

3.1.6 減速器端輸出力矩

(6)

3.1.7 電動缸滾珠絲杠驅動力矩輸出數據校驗

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據校驗

v′=(n×L)/(u×60)
=(250×10)/(3.9×60)=10.68mm/s

(8)

其中,v′>v。

通過以上設計計算及校驗計算可知,電動缸的各項數據均高于技術指標值,滿足電動同步雙桿推動缸的技術要求[2-3]。

3.2 并聯雙級式齒輪組設計計算

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Z1=17,中級疊連傳動齒輪齒數Z2=53,Z3=27,末級轉向齒輪齒數Z4=34,初級動力齒輪與伺服電機的行星減速器的輸出端連接,驅動電機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度

(9)

其中:σHlim為齒輪接觸疲勞強度,齒輪做調質熱處理,取σHlim=1150MPa;SHmin為接觸強度安全系數,SHmin=1.5;ZN為接觸疲勞強度壽命系數,取ZN=1.0;ZW為工作硬化系數,取ZW=1.0[2-3]。

按齒面接觸強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為齒數比,i=Z2/Z1=53/17=3.1;K為接觸強度使用的綜合系數,查手冊取K=1.2;ψa為齒寬系數,取ψa=0.5;ZE為材料的彈性系數,齒輪均為鋼制材料,取112ZE=21260;T為齒輪傳遞的轉矩;σHp為齒輪接觸疲勞強度[4]。

3.2.3 齒輪模數設計計算

m≥d/Za=71/17=4.1

(11)

考慮產品外形尺寸結合齒輪強度校核,取m=4.5,取齒寬b=20mm。以上計算及校核步驟可計算設計余下齒輪組齒輪的傳動參數[2-3],并聯雙級式齒輪組4種齒輪參數見表1所示。

表1 并聯雙級式齒輪組4組齒輪參數表

4 主要結構形式設計

4.1 并聯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,所以根據此限制設計了并聯雙級展開式齒輪組,本產品設計的齒輪組由初級動力齒輪、中級疊連傳動齒輪、末級轉向齒輪、支撐軸承、調整環墊片等零件組成。本機構所用零件結構簡單緊湊互換性強,與普通的齒輪傳動箱比較,本機構具有維護方便、便于拆卸,支撐選用如圖4所示兩端軸承支撐式,通過修配調整環墊片可以有效地補償零件的加工誤差及零件裝配的微量誤差,也便于機構跑合及磨合以使機構達到最佳使用狀態。

圖4 并聯雙級展開式齒輪組件結構圖

4.2 電動同步雙桿推動缸結構與UG有限元仿真

并聯同步雙桿推動缸機構主要由伺服電機、高精度減速器、并聯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成。伺服電機與高精度減速器通過緊固螺栓固定在并聯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向齒輪嚙合傳動,兩根滾珠絲杠的杠體根部通過異側雙鍵及螺紋緊固其中心軸與末級轉向齒輪相連接,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,實現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構圖。

1-伺服電機 2-減速器 3-初級動力齒輪 4-中級疊連傳動齒輪5-末級轉向齒輪 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的影響,使推動缸伸出時受到徑向載荷和轉動力矩而導致推動缸發生撓曲變形。撓曲變形會導致滾珠絲杠發生卡死,因此變形量需要控制,以保證整體剛度減少結構尺寸和重量。設定推動缸伸出長度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,運用UG有限元仿真軟件對整機的承載力矩下,進行仿真并對結果進行了優化和改善,對各個重要零件反復優化迭代設計,最終電動缸的重量為175kg,滿足產品要求。對電動同步雙桿推動缸整機在工作狀態下進行結構強度受力仿真分析,將模型導入到結構有限元分析平臺中進行優化分析,分析結果如圖6(a)至圖6(d)所示。

圖6 電動缸有限元節點云圖

從圖6分析結果可知,整機受負載力工作時,受最大應力值為170Mpa,應力小于推動缸筒、固定筒材料屈服極限強度(800MPa),最大變形量值為0.081mm,安全系數最低為2.1左右,推動缸筒運行時不會出現卡滯,電動同步雙桿推動缸剛強度結構設計合理。

5 樣機試驗

樣機在模擬負載下進行性能指標驗證試驗,試驗結果表明樣機電動雙桿推動缸滿足系統技術指標要求,電動缸同步雙桿推動缸運行穩定,樣機測試如表2。

表2 電動雙桿推動缸指標參照表

6 結束語

本文提出的一種單電機并聯同步雙桿推動缸機構,利用伺服電機旋轉,通過減速器,并聯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,實現了電動同步雙桿推動缸并聯同步直線運動,有效提高雙桿推動軸向推力、雙缸同步精度,顯著縮小機構外型體積,該結構制作布置簡潔及驅動過程不復雜,穩定可靠,推動缸軸向推力大、運動定位精度和雙缸同步精度高,通過設計有限元仿真及樣機指標驗證,該電動雙桿推動缸適配性高,滿足雷達天線特殊技術指標要求,設計出了一種新的車載雷達天線倒伏機構裝置。