一种机动式车载天线升降机构设计

矫 海

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

在许多应用场合，车载天线要安装在尽可能高的车顶，满足天线的工作需求，而非工作状态，要把车载天线收到车内，满足公路、铁路和空运等对车外形限制条件。因此，需有一套升降机构来担负天线的架设和撤收任务。机械式升降机构作为天线系统的工作平台，能在有限的空间及高承载要求的前提下，满足刚度、强度要求，达到较高的可靠性和较好的维修性。避免了液压和钢丝绳传动升降机构长时间工作而产生的安全隐患问题。

采取有效合理的措施来保证设计指标的实现成为结构设计人员必须解决的问题。本文详细介绍了机动式车载天线升降机构系统设计过程、关键部件的设计计算以及参数的选取，并进行了仿真验证，以期满足系统要求，为拓展高强度承载力的升降机构设计打下基础。

1 天线升降机构特点分析

市场上常用的天线升降机构主要有丝杠丝母机械传动、钢丝绳传动和液压系统传动等结构。下面对3种类型的升降机构进行对比分析。

1.1 丝杠丝母机械传动

丝杠丝母机械传动的升降机构由电机、减速机和丝杠丝母等组成，结构简单，传动安全可靠。升降机构主要执行件也是负载承担部件，丝杠丝母采用滚珠丝杠副结构，滚珠丝杠传动平稳、效率高，且不易磨损。

在安全性方面，升降机构采用通用的齿轮、丝杠丝母和传动轴等刚性结构，结构简单，传动可靠，受自然环境影响较小，满足设备在各种环境下工作的要求。

天线在架设状态下，天线升降机构大部分结构伸出到舱外。这样，升降机构需要满足防沙尘、防淋雨、防盐雾、防潮湿、防霉菌、高低温工作储存和振动冲击等的环境适应性要求。升降机构在环境适应性设计上采取了以下措施：

① 结构上采用全密封设计。

② 在零部件材料选择、零件材料表面处理技术和合理的结构设计这三方面进行设计。丝杠及紧固件选用不锈钢材料；黑色金属表面采用喷锌或镀锌工艺，铝材选用防锈铝合金LF21，表面阳极氧化，铜材表面氧化，使用时定期涂抹润滑脂，电动机和减速箱进行密封设计，避免形成积水结构。

③ 元器件和润滑油均考虑了高低温要求，非金属零件尽量采用膨胀系数小的材料。

④ 有锁紧装置使其在振动冲击环境下能够正常使用。

1.2 钢丝绳传动

钢丝绳传动升降机构的钢丝绳易磨损，其寿命比滚珠丝杠副结构的升降机构低很多。钢丝绳结构升降机构属于非刚性传动，在运输过程中钢丝绳易被拉长。拉长后升降机构会出现爬行、蠕动和不同步现象，钢丝绳传动机构也会发生钢丝绳断裂，造成升降机构突然坠落等问题。

在环境适应性方面，不锈钢钢丝绳因其延伸率和硬度特性不适于牵引使用，升降机构一般使用镀锌普碳钢钢丝绳，而镀锌钢丝绳本身是无法长时间满足三防要求的，必须有涂油措施，这就加大了设备维护保养方面的负担。

1.3 液压系统传动

液压传动升降机构的液压系统在可靠性方面有两大缺点：① 密封件随着使用时间推移而老化造成密封失效，液压系统会出现内泄和外泄现象，这样会影响产品的清洁度，液压升降机构的精度可靠性很难保证；② 液压油的清洁度直接影响产品的功能，因为液压油中的杂质可使液压阀达不到其关开能力。同时，液压传动存在长时间工作时因元器件泄露、管路爆破而导致的典型安全隐患问题。

在环境适应性方面，液压升降机构的密封件一般采用橡胶材质，在高、低温环境下会加速其老化，影响液压系统的密封性；另外，液压油受高低温影响需要在季节更替时更换不同型号的液压油。

综上所述，丝杠丝母机械传动式升降机构有许多优点。本文介绍的天线升降机构滚珠丝杠副基本参数为：导程10 mm，公称直径63 mm，单头螺纹，滚珠直径5.953 mm；材料：GCr15；热处理：丝杠丝母滚道硬度为56-62HRC，滚珠58-63HRC，深度要求：沿滚道法向表面有效硬化层深度1.0 mm，公差等级10级，执行GB/T17587—1998标准。此参数滚珠丝杠副当垂直使用，动额定负载1 200 kg以上，可靠性次数700 000次以上，寿命15年，远远大于天线升降机构对丝杠丝母的要求。天线升降机构其他齿轮系传动基本均是通用传动结构，零部件和整件的可靠性指标均不小于产品的可靠性指标。

2 整体布局与设计计算

2.1 系统组成及工作原理

天线升降机构采用丝杠传动，整个机构含有控制装置、驱动装置、传动装置、限位锁紧装置和密封屏蔽装置等。主要由顶板、天线升降平台、底板、滚珠丝杠螺母组、电机及减速机驱动机构、升降机、T型换向器、手摇装置和排水装置等组成[1]，如图1所示。

图1 天线升降机构外形

交流异步电机提供动力，经过减速机降低转速，传送动力给T型换向器转换动力方向，再将动力输送给升降装置，升降装置带动滚珠丝杠转动，4个固定在升降平台底部的螺母带动升降平台做轴向移动，完成升降动作，如图2所示。

图2 天线升降机构原理

2.2 设计计算

2.2.1 设计需求

升降机构动力供电AC 380 V(三相三线)，设计起升重量800 kg；初步估算升降平台自重350 kg；根据运输车辆方舱的内部空间尺寸确定升降行程1 950 mm；要求起升时间7 min。参考设计资料选择丝杠的规格尺寸参数，确定选择丝杠直径63 mm，丝杠螺距10 mm(导程)的滚珠丝杠作为传动介质；动力驱动电机选定AC 380 V供电，功率750 W，转速1 470 r/min的电机。

2.2.2 减速机减速比计算

依据设计需求参数，进行环环相扣的设计计算过程。从电机的高转速到丝杠的缓速平稳上升过程需要减速机的降速设计，选用合理适宜的减速机至关重要。

丝杠转速：n1=H/L/t，

输入转数：n2=n1×i1×i2，

减速机传动比：i≤r/n2，

式中，H为升降行程；L为丝杠螺距(导程)；t为起升时间；i1为升降装置传动比，i1=23/3(选取)；i2为T型换向器传动比，i2=1只起换向功能；r为电机额定转速。

2.2.3 总功率核算

通过设计计算确定了减速比，初步选定了电机参数，此步骤要验证所选电机的功率能否满足设计要求。

升降机输入总功率：

P1=Fa×v/(η滚珠丝杆×η升降装置)，

电机总功率(正常工况)：

式中，Fa为升降平台整体重量；η滚珠丝杆为滚珠丝杠传输效率；η升降装置为升降装置传输效率；ηT6为T型换向器传输效率；ηK37为减速机传输效率。

通过计算比较，若P(选定电机功率)>P总，说明所选电机功率满足设计要求。

2.2.4 总扭矩核算

电机功率确认后，重要的一步是确认电机的驱动扭矩是否满足设计要求。

单根滚珠丝杠抬升重物的扭矩：

T1=Fa×L/(2π×η滚珠丝杆)，

升降机的总扭矩值：

T3=(T1/i1/η升降装置)×4，

电机扭矩(正常工况)：

T总=T3/(iK37×iT6)/(ηT6×ηK37)，

式中，iK37为减速机的传动比；iT6为T型换向器传动比。

通过计算比较：若T(选定电机扭矩)>T总，说明所选电机扭矩满足设计要求。

只有功率和扭矩2项技术指标均满足设计要求，才能最终确定电机的选择准确性。

3 关键零部件设计及受力分析

3.1 滚珠丝杠副防逆转措施

滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方位传动时，如果部件重量没有平衡，必须防止当传动停止或电机断电后，因部件自重而产生的逆转动。防逆转可以采用超越离合器或不能逆传动的驱动电机，也可以采用不能逆转的传动装置(如可以自锁的蜗杆传动)以及电磁或液压制动器。目前，国内已有专业加工厂生产多种适合防止滚珠丝杠副逆转的超越离合器。

典型的单向超越离合器结构简图如图3所示[2]，图3中，1表示外环；2表示滚柱；3表示弹簧；4表示星形轮(内环)。当星形轮4(内环)有顺时针转动的趋势(即逆转)时，若在外环1上施加一个适当的阻力矩，可防止与内环4装在一起的滚珠丝杠顺时针方向逆转，而只允许丝杠作逆时针方向的转动。

图3 单向超越离合器

当要防止滚珠丝杠副双向逆转时可以采用图4所示的结构[3-4]。图4中，1表示滚珠丝杠；2表示滚珠螺母；3和4表示摩擦片；5和6表示单向离合器；G表示作用于滚珠螺母2部件的重力；G1表示作用在部件2上的平衡力。当G-G1>0时，则摩擦片3和单向离合器5就起制动作用，从而制止滚珠螺母向下移动；当G-G1<0时，摩擦片4和单向离合器6就起制动作用，制止滚珠螺母向上移动[5]。

图4 使用2个单向离合器防止逆转动

选择防逆转离合器的主要技术要求如下：

①Tc=K·Tmax≤Tn，其中Tmax为工作最大转矩，Tn为防逆转离合器公称(或额定)转矩，工况系数K，较平稳载荷取1.25，较小冲击取1.75，较大冲击取2.5，剧烈冲击取5。

② 丝杠轴的轴径要与离合器的孔径一致。

③ 丝杠轴的最高转速nmax小于离合器的极限转速。

④ 规定离合器的锁止或解脱方向，并与电机转向适配。

⑤ 确定连接形式及连接尺寸。

定型产品CKEA型单向楔块超越离合器如图5所示，内外环均采用键连接。离合器传递转矩为30～1 000 N·m，传动效率达94%～98%。

图5 单向楔块超越离合器

3.2 升降平台设计

零件设计是整体机构设计的基础，也是整体装配和仿真分析的前提，利用Solidworks软件的扫描[6]、旋转、拉伸和除料等命令，生成天线升降平台的三维实体模型，如图6所示。与其他零部件汇总装配起来，检测出设备各种工作状态下是否干涉，提高设计的准确性，缩短设计开发时间，降低设计成本。整体装配图如图7所示。

图7 整体装配图

3.3 升降平台受力分析

使用ANSYS对升降机构的关键承载部件升降平台进行力学仿真分析，考察其在升降过程中是否满足刚强度要求。

首先托盘模型进行简化，并进行网格划分，然后对模型施加约束、载荷等边界条件[7]，并分配材料参数，最后进行有限元分析计算[8]，得到的变形云图如图8所示，应力云图如图9所示。

图8 升降平台变形云图

图9 托盘应力云图

升降平台的材料为Q345，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.28，屈服强度为345 MPa，质量密度为7 700 kg/m3。从图8的变形分析云图中可以看出，最大变形发生在天线座承载处，最大变形量为0.21 mm，变形在所选材料的弹性变形范围内，说明托盘在加速升降过程中只发生弹性变形，没发生塑性变形，加速后材料能够回复初始状态。从图9的应力分析云图中可以看出，托盘的最大应力发生在固定孔处，最大值为49.87 MPa，远远小于材料的屈服强度，说明所选材料性能满足使用要求，并且存在较大的优化空问。

升降机构是基于承受大承载800 kg天线的目的设计生产的，在使用过程中，该升降机构已无故障升降300多次，使用时间已超过2年，稳定可靠。结合设计计算和实际应用，在适当的维护保养前提下，该升降机构使用寿命可达到10年，满足工况要求。在保证体系架构不变的情况下，通过加大电机功率、增粗丝杠直径、加大丝母的直径，就可提高升降机构承载能力，可达到2 000 kg以上，为日益发展的大型天线配套服务。

4 结束语

通过设计计算及仿真分析，该机动式车载天线升降机构能够满足军用通信指挥车辆和民用特种车辆对移动式天线的工作要求。运输状态下，升降机构可快速将天线降到方舱舱体内，降低载车的重心，保证公路行驶的平稳性和安全性，同时满足铁路运输限高要求。工作展开时，天线升降平稳迅速，加速无颤动，定位精度高。目前，该升降机构已广泛应用于军用方舱内，操作简单，使用稳定可靠，对于同类产品的设计具有一定的参考价值。

[1] 成大先.机械设计手册(机械传动单行本)[M].北京：化学出版社，2004：11-48.

[2] 陈炳发.工业设计方法及CAD应用[M].北京：科学出版社，2002：53-58.

[3] 饶振钢，王勇卫.滚珠丝杠副及自锁装置[M].北京：国防工业出版社，1990：108-109.

[4] 孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2006：56-57.

[5] 左爱武.螺旋传动机构自锁失效分析[J].武钢技术，2004(4)：31-33.

[6] 詹迪维.SolidWorks机械设计教程[M].北京：机械工业出版社，2009：55-60.

[7] 刘笑天.ANSYS Workbench结构工程高级应用[M].北京：中国水利水电出版社，2015：81-84.

[8] 王复兴，王书贵.材料力学教程[M].北京：中国轻工业出版社，1995：513-526.

[9] 李波，李志有，曲颖.某雷达天线升降调平机构设计[J].中国新技术新产品，2014(1)：70-71.

[10] 苗玉刚，赵峰.滚珠丝杠升降机的一种制动结构设计与分析[J].重型机械，2014(5)：72-74.