车载储运设备快速紧固装置创新设计*

杨 新，马志亮，王卓显，刘 斌

(中国电波传播研究所， 山东 青岛 266107)

车载储运设备快速紧固装置创新设计*

杨 新，马志亮，王卓显，刘 斌

(中国电波传播研究所， 山东 青岛 266107)

文中对车载储运设备常用固定方式及其优缺点进行了归纳总结，针对常用固定方式存在的不足之处，创新性地设计了一种车载储运设备快速紧固装置。从结构组成、功能原理、操作使用说明及设计优点阐述了快速紧固装置的创新设计，并进行了有限元分析计算。该装置具有结构紧凑、成本较低、操作空间小、操作简便快捷、环境适应性强等优点，适用于各种不同规格车载储运设备的紧固，通过了冲击振动、高低温湿热以及跑车试验，并已成功应用于轮式、履带式等各型越野工程车。

快速紧固装置；创新设计；螺旋面凸轮；车载储运设备

引 言

随着科学技术的不断进步，越来越多的先进设备得到了大量的应用，而车载储运设备由于其特殊性在其中占了很大比例。车载储运设备(一般情况下，装在自身的储运箱内)平时放置在车辆上，使用时由车辆运至使用地，卸下后展开工作。为了扩大车辆的储运空间，保证这些储运设备在运输过程及特殊储存环境中的安全，需要将这些储运设备方便而可靠地紧固在运输车辆中。本文归纳总结了车载储运设备常用的固定方式及其优缺点，并针对常用固定方式存在的不足，对车载储运设备快速紧固装置进行了创新性设计。

1 车载储运设备常用固定方式

目前，储运设备在运输车辆中的固定方式主要有传统绑带(或绳索)式固定、绑带/拉紧器组合式固定、气压式固定、传统螺装/压板组合式固定等。

1.1 传统绑带(或绳索)式固定

传统绑带(或绳索)式固定方式是用绑带(或粘带、绳索)将储运设备束紧(或捆绑)在运输车辆中。它具有固定方式简单、成本低的优点，但凭人力不易可靠束紧，储运设备数量多需分层安装时，需要较大的操作空间，置位储运设备时，绑带需要让出置位空间，操作不方便，在湿热环境或较恶劣路面条件下，绑带(或绳索)存在泄力倾向。

1.2 绑带/拉紧器组合式固定[1]

绑带/拉紧器组合式固定方式与传统绑带(或绳索)式固定方式基本相同，但绑带的束紧是通过带棘轮的拉紧器来实施的。由于有了拉紧器，传统绑带(或绳索)式固定方式中人力不易可靠束紧及在较恶劣路面存在泄力倾向等问题都得到了有效解决，且成本低。但该方式具有以下缺点：储运设备数量多需分层安装时，需要较大的操作空间；置位储运设备时，绑带需要让出置位空间，操作不方便；在湿热环境条件下，绑带存在泄力倾向。

1.3 气压式固定

气压式固定是将储运设备置于车辆有专用气袋的装置中，对气袋充气后，通过气袋体涨贴压设备完成固定。该方式操作简便、快捷，抗冲击振动等环境适应能力强，储运设备数量多且需分层安装时，对操作空间需求小。但气压式固定的气路系统较为复杂，气袋等气路器件的制作及系统维护成本较高且需要气源，在实际工程中实施起来有较大难度。

1.4 传统螺装/压板组合式固定

传统螺装/压板组合式固定是通过螺钉或螺栓及蝶形螺栓组合件、螺母或蝶形螺母组合件、防松垫圈及压板将储运设备压固在运输车辆中。它具有固定可靠、抗冲击振动等环境适应能力强、成本低等优点。但分离件较多，安装、拆卸操作较为繁琐，且时间长，效率低。在多数情况下，拆装操作都需要工具。

从对上述固紧方式的分析及对比可以看出，还没有一种固紧方式同时具备以下条件：工作可靠，操作及占用空间(安装空间)小，操作简便、省力、快捷，能适用于各种不同规格的含设备的储运箱的紧固，成本较低，工程可实施性、环境适应性强(环境适应性主要包括工作温度：-41 ℃ ～ 65 ℃；储存温度：-43 ℃ ～ 75 ℃；冲击振动：满足各种车辆的国标或国军标的相应的冲击及振动要求；具备三防能力)。因而，创新设计一种能够满足上述条件的新型紧固方式的结构装置是非常必要的。

2 快速紧固装置结构组成

快速紧固装置由带手柄的螺旋面凸轮(以下简称凸轮)、旋转压板、旋转轴基座(简称基座)、压板旋转销轴(简称压板销轴)、压板扭簧、压板柔性垫及标准紧固件等组成，如图1所示。

图1 快速紧固装置结构组成示意图

凸轮的螺旋面约为半个周长，螺旋面的基面(螺旋面的起始面)为垂直于凸轮回转轴线的平面，凸轮的回转轴与基座对应的凸轮轴台形成凸轮回转副；凸轮与基座的轴向定位接触面构成两者之间的定位滑动副。旋转压板的回转轴通过压板销轴连接到基座对应的回转孔中，形成压板回转副；与凸轮螺旋面接触的旋转压板上的面始终为平面，形成凸轮副，而非螺旋副(螺旋副的螺旋升角大于一定角度时，就不能形成自锁[2])，该凸轮副是三维的，与二维的平面内凸轮副有显著区别。压板扭簧的弹性弯曲中心线与压板回转副轴线重合，其扭矩分别作用在基座与旋转压板之间，使凸轮三维螺旋面与旋转压板的楔形角度≤3°且始终贴合，如图1所示。在储运设备没有包装箱而直接固定时，需要在旋转压板上及被固紧设备的贴压面处机装或粘贴压板柔性垫，以保护设备在贴压处的外观不受损伤。

3 快速紧固装置功能原理

为了便于分析，将创新设计的紧固方式看成一个较为简单的锁紧系统(车载储运的一个单元)，这个系统由快速紧固装置、车载刚性机架(多为钢结构，较少铝合金结构)、限位靠板(多为钢板折弯件)、储运设备(一般自带储运箱，储运箱材料为铝塑复合、铝合金或工程塑料)、设备进出滚轮组(2组，其滚轮材料为尼龙或工程塑料)、设备进出导向件及运输车辆等组成，如图2所示。快速紧固装置为锁紧系统中的核心构件，锁紧系统中的其它零部件均为简单或常规结构件。

刚性机架与运输车辆之间一般为刚性连接(在储运设备为贵重设备或抗振、冲击能力差时，可在刚性机架与运输车辆之间增加隔振系统)，设备进出滚轮组与刚性机架之间为刚性连接，快速紧固装置及限位靠板与储运设备之间为不完全刚性接触(有一定弹性)。储运设备底面与设备进出滚轮组之间，在Z轴方向为不完全刚性接触，在X轴方向为滚动副接触，在Y轴方向为滑动副接触。

图2 锁紧系统示意图

在车辆行驶过程中，除车辆紧急制动及自身发动机(或车载发电机)的振动和冲击外(未考虑撞车等特殊情况)，其它冲击、振动均来自车辆与路面之间的颠簸，且主振、主冲的方向均为Z向，同时，在X、Y方向的冲击、振动均为车辆系统的振动及冲击在Z向的分量。

紧固储运设备的目的是可靠地约束储运设备的6个自由度，锁紧系统在锁紧状态下，快速紧固装置的旋转压板、限位靠板及设备进出滚轮组等构成了对储运设备在X方向、Z方向的位移约束以及绕X、Y、Z轴的转动约束。对Y方向的位移约束是通过快速紧固装置的旋转压板、限位靠板及设备进出滚轮组与储运设备之间的贴压正压力(或夹持力)及静摩擦系数来实现的。

将锁紧系统中的储运设备的储运箱看成一个弹性体，快速紧固装置的旋转压板及限位靠板分别斜压在储运设备相应的2条棱边上，2组设备进出滚轮组托在储运设备底部。这些接触区域，其相对刚性较小的一方，在锁紧状态下产生弹性形变，当Y方向有惯性力产生时，这些弹性形变相对地提高了静摩擦系数，进而提高了阻止储运设备在该方向的位移。

设备进出滚轮组，为锁紧系统通过快速紧固装置在X方向形成对储运设备的稳定夹持力提供了条件，同时为储运设备进出钢架单元提供了方便。尽管在X方向储运设备底部为滚动副，也未影响系统在该方向的位移约束；而在Y方向，储运设备与滚轮之间为滑动副，不会降低在该方向的静摩擦系数[3]。

在锁紧系统中，快速紧固装置如同一个开关，当其闭合时，设备的6个自由度就被同时约束，当其打开时，设备就被同时解约束。而这个开关在闭合时的工作可靠性构成了创新设计的快速紧固装置能够满足可靠锁紧要求的决定性条件。

4 快速紧固装置有限元分析计算

在车载运输状态下，快速紧固装置主要承受由被紧固的车载储运设备传递来的冲击力，下面对快速紧固装置在承受极限冲击力状态下，对单个快速紧固装置压紧20 kg设备的工况进行有限元分析计算。

在建模时根据实际需要对结构进行如下简化：对于位置较近的构件结合点采用适当合并或“主从节点”的方式进行处理，以避免实际计算中出现方程病态；对于载荷作用比较复杂的情况，将其简化为常用的加载方式(点载荷、面载荷等)以利于分析计算[4]。在有限元分析软件中采用实体单元建立仿真模型，在快锁紧固装置安装螺钉孔处施加约束条件，结合车载冲击状态要求，在与车载储运设备接触区域对快锁紧固装置施加20 kg设备在2g冲击加速度下的冲击力在快锁紧固装置受力方向的分力350 N(考虑极限值)。根据快锁紧固装置的结构和受力特点，在不影响计算精度的情况下，采用了四面体实体单元对其进行有限元网格的自由划分，并对与车载储运设备接触部位以及凸轮与旋转压板接触部位进行了网格细分。有限元分析计算结果如图3和图4所示。

图3 冲击状态下的应力云图

图4 冲击状态下的位移云图

计算结果表明，在车载冲击状态下最大应力为103.2 MPa，位于凸轮尖部，凸轮采用1Cr18Ni9Ti不锈钢，具有较高的安全系数。最大位移量在旋转压板处，约为0.02 mm，位移量很小，锁紧状态安全可靠。

5 快速紧固装置操作使用说明

5.1 锁紧过程

从凸轮手柄的起始位(开锁状态下，凸轮手柄的极限位置)施力扳动(或转动)凸轮手柄，凸轮螺旋面与旋转压板的接触区域由低位向高位做啮合运动，驱动旋转压板转动，并逐渐靠近被固定物体，直至贴紧、压在被固定物体的棱边上。此时，凸轮手柄处于锁紧状态的极限位置，锁紧过程结束。在整个锁紧过程中，凸轮手柄仅旋转了约180°，锁紧状态如图5所示。

图5 快速紧固装置锁紧状态示意图

5.2 开锁过程

从凸轮手柄的起始位(锁紧状态下，凸轮手柄的极限位置)施力扳动(或转动)凸轮手柄，凸轮螺旋面与旋转压板的接触区域由高位向低位做啮合运动，在压板扭簧的作用下，旋转压板做跟随转动，凸轮手柄旋转了约180°时，凸轮手柄已处于开锁状态的极限位置，开锁过程结束。开锁状态如图6所示。

图6 快速紧固装置开锁状态示意图

6 快速紧固装置设计优点

快速锁紧装置利用凸轮螺旋面及增大动力臂的凸轮手柄，使得手动操作省力、稳定(扳动力约为1～3.5 kg)；利用凸轮螺旋面大的螺旋升角[5]，使得手动操作简便、快捷(无论是锁紧过程还是开锁过程，均能在几秒钟内完成)；利用螺旋面凸轮与旋转压板之间的三维凸轮副，使得快速紧固装置在任意状态下都能形成自锁[6]，保证了锁紧的可靠性；利用快速紧固装置自身凸轮手柄的合理布局及优化的凸轮、基座及压板设计，使得操作空间基本不占用储藏空间。同时，快速紧固装置结构紧凑，自身外形尺寸小(见图1)，安装空间需求少。

快速锁紧装置通过了冲击振动[7-8]、高低温湿热[9-11]以及跑车试验，结果均满足要求。该装置还在轮式、履带式等各型越野工程车上进行了试验和应用，都达到了预期的使用效果。

7 结束语

本文在对比车载储运设备常用固定方式优缺点的基础上，从结构特点、功能原理、操作使用说明及设计优点，介绍了快速紧固装置的创新设计。该装置具有结构紧凑、成本较低、操作空间小、操作简便快捷、环境适应性强等优点，适用于各种不同规格车载储运设备的紧固。它已获得国防发明专利，并在轮式、履带式等各型越野工程车上得到了成功应用，具有很好的工程应用前景。

[1] 阮卜琴. 拉紧器：中国, 200920113915[P]. 2010-01-27.

[2] 吴狄. 涡轮传动自锁可靠性的研究[J]. 机械设计与制造, 2004(6): 6-7.

[3] 孙桓, 陈作模. 机械原理[M]. 6版. 北京: 高等教育出版社, 2001.

[4] 王勖成. 有限单元法[M]. 北京: 清华大学出版社, 2003.

[5] 马梦兰. 螺旋副垂直滑动与自锁装置的设计与应用[J]. 机械设计, 2000(8): 39-41.

[6] 吴宗泽. 机械设计[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001.

[7] 李传日，袁宏杰，王德言，等. GJB 150.18A—2009 军用装备试验室环境试验方法， 第18部分: 冲击试验[S]. 北京: 总装备部军标出版发行部, 2009.

[8] 施荣明, 朱广荣，吴飒.GJB 150.16A—2009 军用装备试验室环境试验方法，第16部分：振动试验[S]. 北京: 总装备部军标出版发行部, 2009.

[9] 吴彦灵, 祝耀昌. GJB 150.3A—2009 军用装备试验室环境试验方法，第3部分: 高温试验[S]. 北京: 总装备部军标出版发行部, 2009.

[10] 吴彦灵, 祝耀昌. GJB 150.4A—2009 军用装备试验室环境试验方法，第4部分: 低温试验[S]. 北京: 总装备部军标出版发行部, 2009.

[11] 王忠, 邓国华, 吴彦灵, 等. GJB 150.9A—2009 军用装备试验室环境试验方法，第9部分: 湿热试验[S]. 北京: 总装备部军标出版发行部, 2009.

杨 新(1959-)，男，高级工程师，主要从事电子设备结构总体设计工作。

Innovative Design of Quick Fastening Device for Vehicle-borne Storing and Transporting Equipment

YANG Xin，MA Zhi-liang，WANG Zhuo-xian，LIU Bin

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

The fastening modes commonly used by the vehicle-borne storing and transporting equipment and their advantages & disadvantages are summed up and a quick fastening device is innovatively designed in this paper. The innovative design of the quick fastening device is introduced from the structure, principles and function, operation and design advantages. Then the finite element analysis and calculation are made. This device has many advantages，such as compact structure，low cost，small space for operation，easy operation and good environmental adaptability. It is suitable for the vehicle-borne storing and transporting equipment with various specifications. This device has passed collision and vibration test，high-low temperature and humidity test and transportation test and has been applied successfully to the off-road engineering vehicles，such as the wheeled vehicle and the track-type vehicle.

quick fastening device； innovative design； helicoids cam； vehicle-borne storing and transporting equipment

2015-02-09

TH122

A

1008-5300(2015)03-0028-04