楊 新，馬志亮，王卓顯，劉 斌

(中國電波傳播研究所， 山東 青島 266107)

車載儲運設備快速緊固裝置創(chuàng)新設計*

楊 新，馬志亮，王卓顯，劉 斌

(中國電波傳播研究所， 山東 青島 266107)

文中對車載儲運設備常用固定方式及其優(yōu)缺點進行了歸納總結，針對常用固定方式存在的不足之處，創(chuàng)新性地設計了一種車載儲運設備快速緊固裝置。從結構組成、功能原理、操作使用說明及設計優(yōu)點闡述了快速緊固裝置的創(chuàng)新設計，并進行了有限元分析計算。該裝置具有結構緊湊、成本較低、操作空間小、操作簡便快捷、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，適用于各種不同規(guī)格車載儲運設備的緊固，通過了沖擊振動、高低溫濕熱以及跑車試驗，并已成功應用于輪式、履帶式等各型越野工程車。

快速緊固裝置；創(chuàng)新設計；螺旋面凸輪；車載儲運設備

引 言

隨著科學技術的不斷進步，越來越多的先進設備得到了大量的應用，而車載儲運設備由于其特殊性在其中占了很大比例。車載儲運設備(一般情況下，裝在自身的儲運箱內)平時放置在車輛上，使用時由車輛運至使用地，卸下后展開工作。為了擴大車輛的儲運空間，保證這些儲運設備在運輸過程及特殊儲存環(huán)境中的安全，需要將這些儲運設備方便而可靠地緊固在運輸車輛中。本文歸納總結了車載儲運設備常用的固定方式及其優(yōu)缺點，并針對常用固定方式存在的不足，對車載儲運設備快速緊固裝置進行了創(chuàng)新性設計。

1 車載儲運設備常用固定方式

目前，儲運設備在運輸車輛中的固定方式主要有傳統(tǒng)綁帶(或繩索)式固定、綁帶/拉緊器組合式固定、氣壓式固定、傳統(tǒng)螺裝/壓板組合式固定等。

1.1 傳統(tǒng)綁帶(或繩索)式固定

傳統(tǒng)綁帶(或繩索)式固定方式是用綁帶(或粘帶、繩索)將儲運設備束緊(或捆綁)在運輸車輛中。它具有固定方式簡單、成本低的優(yōu)點，但憑人力不易可靠束緊，儲運設備數量多需分層安裝時，需要較大的操作空間，置位儲運設備時，綁帶需要讓出置位空間，操作不方便，在濕熱環(huán)境或較惡劣路面條件下，綁帶(或繩索)存在泄力傾向。

1.2 綁帶/拉緊器組合式固定[1]

綁帶/拉緊器組合式固定方式與傳統(tǒng)綁帶(或繩索)式固定方式基本相同，但綁帶的束緊是通過帶棘輪的拉緊器來實施的。由于有了拉緊器，傳統(tǒng)綁帶(或繩索)式固定方式中人力不易可靠束緊及在較惡劣路面存在泄力傾向等問題都得到了有效解決，且成本低。但該方式具有以下缺點：儲運設備數量多需分層安裝時，需要較大的操作空間；置位儲運設備時，綁帶需要讓出置位空間，操作不方便；在濕熱環(huán)境條件下，綁帶存在泄力傾向。

1.3 氣壓式固定

氣壓式固定是將儲運設備置于車輛有專用氣袋的裝置中，對氣袋充氣后，通過氣袋體漲貼壓設備完成固定。該方式操作簡便、快捷，抗沖擊振動等環(huán)境適應能力強，儲運設備數量多且需分層安裝時，對操作空間需求小。但氣壓式固定的氣路系統(tǒng)較為復雜，氣袋等氣路器件的制作及系統(tǒng)維護成本較高且需要氣源，在實際工程中實施起來有較大難度。

1.4 傳統(tǒng)螺裝/壓板組合式固定

傳統(tǒng)螺裝/壓板組合式固定是通過螺釘或螺栓及蝶形螺栓組合件、螺母或蝶形螺母組合件、防松墊圈及壓板將儲運設備壓固在運輸車輛中。它具有固定可靠、抗沖擊振動等環(huán)境適應能力強、成本低等優(yōu)點。但分離件較多，安裝、拆卸操作較為繁瑣，且時間長，效率低。在多數情況下，拆裝操作都需要工具。

從對上述固緊方式的分析及對比可以看出，還沒有一種固緊方式同時具備以下條件：工作可靠，操作及占用空間(安裝空間)小，操作簡便、省力、快捷，能適用于各種不同規(guī)格的含設備的儲運箱的緊固，成本較低，工程可實施性、環(huán)境適應性強(環(huán)境適應性主要包括工作溫度：-41 ℃ ～ 65 ℃；儲存溫度：-43 ℃ ～ 75 ℃；沖擊振動：滿足各種車輛的國標或國軍標的相應的沖擊及振動要求；具備三防能力)。因而，創(chuàng)新設計一種能夠滿足上述條件的新型緊固方式的結構裝置是非常必要的。

2 快速緊固裝置結構組成

快速緊固裝置由帶手柄的螺旋面凸輪(以下簡稱凸輪)、旋轉壓板、旋轉軸基座(簡稱基座)、壓板旋轉銷軸(簡稱壓板銷軸)、壓板扭簧、壓板柔性墊及標準緊固件等組成，如圖1所示。

圖1 快速緊固裝置結構組成示意圖

凸輪的螺旋面約為半個周長，螺旋面的基面(螺旋面的起始面)為垂直于凸輪回轉軸線的平面，凸輪的回轉軸與基座對應的凸輪軸臺形成凸輪回轉副；凸輪與基座的軸向定位接觸面構成兩者之間的定位滑動副。旋轉壓板的回轉軸通過壓板銷軸連接到基座對應的回轉孔中，形成壓板回轉副；與凸輪螺旋面接觸的旋轉壓板上的面始終為平面，形成凸輪副，而非螺旋副(螺旋副的螺旋升角大于一定角度時，就不能形成自鎖[2])，該凸輪副是三維的，與二維的平面內凸輪副有顯著區(qū)別。壓板扭簧的彈性彎曲中心線與壓板回轉副軸線重合，其扭矩分別作用在基座與旋轉壓板之間，使凸輪三維螺旋面與旋轉壓板的楔形角度≤3°且始終貼合，如圖1所示。在儲運設備沒有包裝箱而直接固定時，需要在旋轉壓板上及被固緊設備的貼壓面處機裝或粘貼壓板柔性墊，以保護設備在貼壓處的外觀不受損傷。

3 快速緊固裝置功能原理

為了便于分析，將創(chuàng)新設計的緊固方式看成一個較為簡單的鎖緊系統(tǒng)(車載儲運的一個單元)，這個系統(tǒng)由快速緊固裝置、車載剛性機架(多為鋼結構，較少鋁合金結構)、限位靠板(多為鋼板折彎件)、儲運設備(一般自帶儲運箱，儲運箱材料為鋁塑復合、鋁合金或工程塑料)、設備進出滾輪組(2組，其滾輪材料為尼龍或工程塑料)、設備進出導向件及運輸車輛等組成，如圖2所示?？焖倬o固裝置為鎖緊系統(tǒng)中的核心構件，鎖緊系統(tǒng)中的其它零部件均為簡單或常規(guī)結構件。

剛性機架與運輸車輛之間一般為剛性連接(在儲運設備為貴重設備或抗振、沖擊能力差時，可在剛性機架與運輸車輛之間增加隔振系統(tǒng))，設備進出滾輪組與剛性機架之間為剛性連接，快速緊固裝置及限位靠板與儲運設備之間為不完全剛性接觸(有一定彈性)。儲運設備底面與設備進出滾輪組之間，在Z軸方向為不完全剛性接觸，在X軸方向為滾動副接觸，在Y軸方向為滑動副接觸。

圖2 鎖緊系統(tǒng)示意圖

在車輛行駛過程中，除車輛緊急制動及自身發(fā)動機(或車載發(fā)電機)的振動和沖擊外(未考慮撞車等特殊情況)，其它沖擊、振動均來自車輛與路面之間的顛簸，且主振、主沖的方向均為Z向，同時，在X、Y方向的沖擊、振動均為車輛系統(tǒng)的振動及沖擊在Z向的分量。

緊固儲運設備的目的是可靠地約束儲運設備的6個自由度，鎖緊系統(tǒng)在鎖緊狀態(tài)下，快速緊固裝置的旋轉壓板、限位靠板及設備進出滾輪組等構成了對儲運設備在X方向、Z方向的位移約束以及繞X、Y、Z軸的轉動約束。對Y方向的位移約束是通過快速緊固裝置的旋轉壓板、限位靠板及設備進出滾輪組與儲運設備之間的貼壓正壓力(或夾持力)及靜摩擦系數來實現的。

將鎖緊系統(tǒng)中的儲運設備的儲運箱看成一個彈性體，快速緊固裝置的旋轉壓板及限位靠板分別斜壓在儲運設備相應的2條棱邊上，2組設備進出滾輪組托在儲運設備底部。這些接觸區(qū)域，其相對剛性較小的一方，在鎖緊狀態(tài)下產生彈性形變，當Y方向有慣性力產生時，這些彈性形變相對地提高了靜摩擦系數，進而提高了阻止儲運設備在該方向的位移。

設備進出滾輪組，為鎖緊系統(tǒng)通過快速緊固裝置在X方向形成對儲運設備的穩(wěn)定夾持力提供了條件，同時為儲運設備進出鋼架單元提供了方便。盡管在X方向儲運設備底部為滾動副，也未影響系統(tǒng)在該方向的位移約束；而在Y方向，儲運設備與滾輪之間為滑動副，不會降低在該方向的靜摩擦系數[3]。

在鎖緊系統(tǒng)中，快速緊固裝置如同一個開關，當其閉合時，設備的6個自由度就被同時約束，當其打開時，設備就被同時解約束。而這個開關在閉合時的工作可靠性構成了創(chuàng)新設計的快速緊固裝置能夠滿足可靠鎖緊要求的決定性條件。

4 快速緊固裝置有限元分析計算

在車載運輸狀態(tài)下，快速緊固裝置主要承受由被緊固的車載儲運設備傳遞來的沖擊力，下面對快速緊固裝置在承受極限沖擊力狀態(tài)下，對單個快速緊固裝置壓緊20 kg設備的工況進行有限元分析計算。

在建模時根據實際需要對結構進行如下簡化：對于位置較近的構件結合點采用適當合并或“主從節(jié)點”的方式進行處理，以避免實際計算中出現方程病態(tài)；對于載荷作用比較復雜的情況，將其簡化為常用的加載方式(點載荷、面載荷等)以利于分析計算[4]。在有限元分析軟件中采用實體單元建立仿真模型，在快鎖緊固裝置安裝螺釘孔處施加約束條件，結合車載沖擊狀態(tài)要求，在與車載儲運設備接觸區(qū)域對快鎖緊固裝置施加20 kg設備在2g沖擊加速度下的沖擊力在快鎖緊固裝置受力方向的分力350 N(考慮極限值)。根據快鎖緊固裝置的結構和受力特點，在不影響計算精度的情況下，采用了四面體實體單元對其進行有限元網格的自由劃分，并對與車載儲運設備接觸部位以及凸輪與旋轉壓板接觸部位進行了網格細分。有限元分析計算結果如圖3和圖4所示。

圖3 沖擊狀態(tài)下的應力云圖

圖4 沖擊狀態(tài)下的位移云圖

計算結果表明，在車載沖擊狀態(tài)下最大應力為103.2 MPa，位于凸輪尖部，凸輪采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼，具有較高的安全系數。最大位移量在旋轉壓板處，約為0.02 mm，位移量很小，鎖緊狀態(tài)安全可靠。

5 快速緊固裝置操作使用說明

5.1 鎖緊過程

從凸輪手柄的起始位(開鎖狀態(tài)下，凸輪手柄的極限位置)施力扳動(或轉動)凸輪手柄，凸輪螺旋面與旋轉壓板的接觸區(qū)域由低位向高位做嚙合運動，驅動旋轉壓板轉動，并逐漸靠近被固定物體，直至貼緊、壓在被固定物體的棱邊上。此時，凸輪手柄處于鎖緊狀態(tài)的極限位置，鎖緊過程結束。在整個鎖緊過程中，凸輪手柄僅旋轉了約180°，鎖緊狀態(tài)如圖5所示。

圖5 快速緊固裝置鎖緊狀態(tài)示意圖

5.2 開鎖過程

從凸輪手柄的起始位(鎖緊狀態(tài)下，凸輪手柄的極限位置)施力扳動(或轉動)凸輪手柄，凸輪螺旋面與旋轉壓板的接觸區(qū)域由高位向低位做嚙合運動，在壓板扭簧的作用下，旋轉壓板做跟隨轉動，凸輪手柄旋轉了約180°時，凸輪手柄已處于開鎖狀態(tài)的極限位置，開鎖過程結束。開鎖狀態(tài)如圖6所示。

圖6 快速緊固裝置開鎖狀態(tài)示意圖

6 快速緊固裝置設計優(yōu)點

快速鎖緊裝置利用凸輪螺旋面及增大動力臂的凸輪手柄，使得手動操作省力、穩(wěn)定(扳動力約為1～3.5 kg)；利用凸輪螺旋面大的螺旋升角[5]，使得手動操作簡便、快捷(無論是鎖緊過程還是開鎖過程，均能在幾秒鐘內完成)；利用螺旋面凸輪與旋轉壓板之間的三維凸輪副，使得快速緊固裝置在任意狀態(tài)下都能形成自鎖[6]，保證了鎖緊的可靠性；利用快速緊固裝置自身凸輪手柄的合理布局及優(yōu)化的凸輪、基座及壓板設計，使得操作空間基本不占用儲藏空間。同時，快速緊固裝置結構緊湊，自身外形尺寸小(見圖1)，安裝空間需求少。

快速鎖緊裝置通過了沖擊振動[7-8]、高低溫濕熱[9-11]以及跑車試驗，結果均滿足要求。該裝置還在輪式、履帶式等各型越野工程車上進行了試驗和應用，都達到了預期的使用效果。

7 結束語

本文在對比車載儲運設備常用固定方式優(yōu)缺點的基礎上，從結構特點、功能原理、操作使用說明及設計優(yōu)點，介紹了快速緊固裝置的創(chuàng)新設計。該裝置具有結構緊湊、成本較低、操作空間小、操作簡便快捷、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，適用于各種不同規(guī)格車載儲運設備的緊固。它已獲得國防發(fā)明專利，并在輪式、履帶式等各型越野工程車上得到了成功應用，具有很好的工程應用前景。

[1] 阮卜琴. 拉緊器：中國, 200920113915[P]. 2010-01-27.

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[3] 孫桓, 陳作模. 機械原理[M]. 6版. 北京: 高等教育出版社, 2001.

[4] 王勖成. 有限單元法[M]. 北京: 清華大學出版社, 2003.

[5] 馬夢蘭. 螺旋副垂直滑動與自鎖裝置的設計與應用[J]. 機械設計, 2000(8): 39-41.

[6] 吳宗澤. 機械設計[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001.

[7] 李傳日，袁宏杰，王德言，等. GJB 150.18A—2009 軍用裝備試驗室環(huán)境試驗方法， 第18部分: 沖擊試驗[S]. 北京: 總裝備部軍標出版發(fā)行部, 2009.

[8] 施榮明, 朱廣榮，吳颯.GJB 150.16A—2009 軍用裝備試驗室環(huán)境試驗方法，第16部分：振動試驗[S]. 北京: 總裝備部軍標出版發(fā)行部, 2009.

[9] 吳彥靈, 祝耀昌. GJB 150.3A—2009 軍用裝備試驗室環(huán)境試驗方法，第3部分: 高溫試驗[S]. 北京: 總裝備部軍標出版發(fā)行部, 2009.

[10] 吳彥靈, 祝耀昌. GJB 150.4A—2009 軍用裝備試驗室環(huán)境試驗方法，第4部分: 低溫試驗[S]. 北京: 總裝備部軍標出版發(fā)行部, 2009.

[11] 王忠, 鄧國華, 吳彥靈, 等. GJB 150.9A—2009 軍用裝備試驗室環(huán)境試驗方法，第9部分: 濕熱試驗[S]. 北京: 總裝備部軍標出版發(fā)行部, 2009.

楊 新(1959-)，男，高級工程師，主要從事電子設備結構總體設計工作。

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