蔡 亮,陳韋杰,吳娟梅

(中電萊斯信息系統(tǒng)有限公司,江蘇 南京 210001)

為了滿足通用指揮車輛上充氣帳篷、桌椅等物資的存儲(chǔ)和便捷取用需求,傳統(tǒng)固定方式大多采用扎帶直接將物資固定在車廂內(nèi),使用時(shí)依靠人力將物資裝載入車內(nèi)或搬卸至地面,載物和卸物的過程費(fèi)事費(fèi)力。

此外,目前車輛后門多采用液壓尾板實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)功能。比較常見的是一種汽車液壓尾板,其總成上設(shè)有一組舉升油缸和一組翻轉(zhuǎn)油缸[1],該汽車液壓尾板不僅影響原車的離去角等機(jī)動(dòng)性參數(shù),而且突出的液壓缸影響整車美觀。

目前,本文針對(duì)現(xiàn)有需求和技術(shù)的不足,設(shè)計(jì)一種依車開設(shè)式機(jī)構(gòu)。該依車開設(shè)式機(jī)構(gòu)能夠安裝在車輛平臺(tái)上隨車運(yùn)輸和使用,也能夠通過叉車短距離或者貨車長(zhǎng)距離運(yùn)輸;到達(dá)目的地后,使用者通過操作控制單元實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)門下翻和帳篷膠囊滑動(dòng),然后取出充氣帳篷及其配套物資,快速搭建指揮場(chǎng)所。同時(shí),通過該機(jī)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì),相同類型的指揮車中的依車開設(shè)式機(jī)構(gòu)可以互換,易于指揮車的維修保養(yǎng)。依車開設(shè)式機(jī)構(gòu)車載狀態(tài)如圖1所示。

圖1 依車開設(shè)式機(jī)構(gòu)車載狀態(tài)

1 依車開設(shè)式機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

本文針對(duì)目前傳統(tǒng)液壓尾板的不足,進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì),研制了依車開設(shè)式機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)包括與車輛連接的型材框架、翻轉(zhuǎn)門、滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[2-3]以及用于收納物資的帳篷膠囊。翻轉(zhuǎn)門通過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與型材框架可轉(zhuǎn)動(dòng)地連接;翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與滑動(dòng)機(jī)構(gòu)均安裝于型材框架內(nèi);當(dāng)翻轉(zhuǎn)門上翻到位時(shí),翻轉(zhuǎn)門與型材框架鎖緊連接,帳篷膠囊收容于型材框架內(nèi);當(dāng)翻轉(zhuǎn)門下翻到位時(shí),帳篷膠囊通過滑動(dòng)機(jī)構(gòu)滑入或滑出型材框架,用于快速收起或搭建指揮場(chǎng)所;該翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)位于型材框架內(nèi),避免對(duì)原車的離去角產(chǎn)生不良影響。

依車開設(shè)式機(jī)構(gòu)采用成熟的PLC控制模式。中央控制器PLC模塊通過感知各類開關(guān)、傳感器的信號(hào)狀態(tài),集中分析處理,進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行和指示燈開閉,以及將控制器、伺服電動(dòng)機(jī)和傳感器的狀態(tài)發(fā)送到上位機(jī),供后臺(tái)集中調(diào)配控制。

因減速機(jī)的自鎖性,使得依車開設(shè)式機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副全程可自鎖臨停,同時(shí)翻轉(zhuǎn)門上安裝有電子鎖,關(guān)閉時(shí)電子鎖機(jī)械鎖死,有效地保證機(jī)構(gòu)使用及運(yùn)輸時(shí)的安全性能。

依車開設(shè)式機(jī)構(gòu)(見圖2)的主體框架采用密度小、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的鋁合金型材拼接而成,既保證強(qiáng)度,又減輕重量。型材框架下部設(shè)計(jì)了叉車槽,方便叉車短距離運(yùn)輸及搬運(yùn)安裝。

圖2 依車開設(shè)式機(jī)構(gòu)

1.1 翻轉(zhuǎn)門的結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)

為了滿足整車輕量化設(shè)計(jì)的要求,提高整車的各項(xiàng)性能,翻轉(zhuǎn)門優(yōu)先選用碳纖維材質(zhì)整體制作成型。這樣的翻轉(zhuǎn)門質(zhì)量更輕,強(qiáng)度更高,更容易制造出符合整車造型的后門,既不影響整車離去角,又能提升整車美觀性。

翻轉(zhuǎn)門(見圖3)內(nèi)部空間被分割成幾個(gè)區(qū)域,分別用于存儲(chǔ)會(huì)議桌、折疊椅等帳篷附件,采用收緊帶固定,可快速拆裝。翻轉(zhuǎn)門上安裝導(dǎo)軌,用于帳篷膠囊上下滑動(dòng)。翻轉(zhuǎn)門外觀有帳篷造型,既美觀,又便于識(shí)別存儲(chǔ)物。

圖3 翻轉(zhuǎn)門示意圖

碳纖維成型工藝流程包括預(yù)浸料制備、成型、固化和后處理等幾個(gè)步驟。碳纖維制品具有如下優(yōu)點(diǎn):比重輕、強(qiáng)度高、彈性模量好、耐熱性高、耐腐蝕性好、高韌性、耐沖擊性能強(qiáng)等[4]。

1.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)力的選型設(shè)計(jì)

首先計(jì)算翻轉(zhuǎn)門的扭矩[5],已知翻轉(zhuǎn)門及其內(nèi)部存儲(chǔ)配套桌、椅等物資質(zhì)量共300 kg。

G=mg=200×9.8=1 960 (N)

(1)

T=GRcos(180°-a)

(2)

當(dāng)α=90°時(shí),

T=GR=1 960×0.674=1 321 (N·m)

(3)

1.2.1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算

設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)門打開和關(guān)閉分別需要1 min,打開最大角度138°,故角速度計(jì)算如下:

(4)

軸轉(zhuǎn)速計(jì)算如下:

(5)

P=Tn/9 550=1 321×0.38/9 550=0.052 6 (kW)

(6)

式中,P是電動(dòng)機(jī)功率,單位為kW;n是軸的轉(zhuǎn)速,單位為r/min;T是扭矩,單位為N·m。

因?yàn)樵撓到y(tǒng)使用頻率較低,電動(dòng)機(jī)功率選擇時(shí)可以除以電動(dòng)機(jī)超載系數(shù)λ=2.2,故電動(dòng)機(jī)功率P=0.024 kW。

1.2.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)輸出軸的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)動(dòng)軸選用不銹鋼材質(zhì),軸徑的核算為:

(7)

式7經(jīng)查表可知,C取97。經(jīng)計(jì)算得:

(8)

因軸有一個(gè)鍵槽,當(dāng)軸直徑為30～100 mm時(shí),增大值為5%。實(shí)際軸直徑為

D≥d(1+5%)=40.53 (mm)

(9)

軸直徑選擇42 mm。

根據(jù)上述計(jì)算,考慮預(yù)留安全余量,本文選擇市場(chǎng)上成熟的伺服電動(dòng)機(jī),其功率為750 W,扭矩為2.39 N;一級(jí)減速為行星齒輪,減速機(jī)型號(hào)為PLF90-25-系列箱體,減速比為25;二級(jí)減速選用蝸輪減速機(jī),型號(hào)為NMRV75,其減速比為30;三級(jí)減速為設(shè)計(jì)的齒輪副,減速比為2?？偹俦葹? 500,故改造后的動(dòng)力源輸出扭矩為3 585 N·m,輸出軸轉(zhuǎn)速為2 r/min,可通過修改伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器參數(shù)來改變伺服電動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速,以滿足使用需求。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成圖如圖4所示。

圖4 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成圖

1.3 帳篷膠囊的結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)

帳篷膠囊(見圖5)采用碳纖維材質(zhì)整體制作成型,設(shè)計(jì)成一個(gè)半開放的膠囊形狀,腔內(nèi)存放疊好的充氣帳篷[6],用收緊器固定。膠囊底部安裝有滾輪,用于沿著導(dǎo)軌上下滑行,上端兩個(gè)吊環(huán),用于固定鋼絲繩。

圖5 帳篷膠囊示意圖

1.4 滑動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力選型設(shè)計(jì)

1.4.1 滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算

碳纖維帳篷膠囊設(shè)計(jì)質(zhì)量為50 kg,帳篷自身質(zhì)量為150 kg,總質(zhì)量為200 kg。根據(jù)負(fù)載的質(zhì)量反求鋼絲繩拉力公式為:

F=Gcos40°=1 532.1 (N)

(10)

故扭矩為:

T=FR/η=1 532.1×50×10-3/0.8=95.76 (N·m)

(11)

式中,R是絞盤半徑,單位為m;η是絞盤機(jī)械效率,取0.8。

設(shè)計(jì)帳篷膠囊下滑與上升到位分別耗時(shí)2 min,已知鋼絲繩下滑到位行程為1 670 mm,鋼絲繩絞盤直徑為100 mm,可得絞盤所需裝圈數(shù)為:

(12)

故轉(zhuǎn)速為:

(13)

P=Tn/9 550=95.76×2.65/9 550=0.027 (kW)

(14)

因?yàn)樵撓到y(tǒng)使用頻率較低,電動(dòng)機(jī)功率選擇時(shí)可以除以電動(dòng)機(jī)超載系數(shù)λ=2.2,故電動(dòng)機(jī)功率P=0.013 5 kW。

1.4.2 滑動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出軸的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)動(dòng)軸選用不銹鋼材質(zhì),軸徑的核算:

(15)

式15經(jīng)查表可知,C取97。經(jīng)計(jì)算得:

(16)

為了保證軸的強(qiáng)度,軸直徑選擇20 mm。

為了簡(jiǎn)化設(shè)備維護(hù)成本,絞盤電動(dòng)機(jī)選擇與滑動(dòng)機(jī)構(gòu)(見圖6)相同型號(hào)的電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)。

圖6 滑動(dòng)機(jī)構(gòu)組成圖

2 依車開設(shè)式機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 翻轉(zhuǎn)門的行程開關(guān)控制設(shè)計(jì)

本機(jī)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的直動(dòng)式行程開關(guān)。在機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的凸輪或者撞塊碰撞行程開關(guān)時(shí),其觸頭發(fā)生動(dòng)作;運(yùn)動(dòng)部件離開之后,其觸頭由于彈簧力的作用自動(dòng)復(fù)位。翻轉(zhuǎn)門起始和終止位置分別布置行程開關(guān)控制翻轉(zhuǎn)門的行程。

2.2 帳篷膠囊的接近開關(guān)控制設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)門與型材框架上的導(dǎo)軌端部安裝有接近開關(guān)作為到位檢測(cè),當(dāng)帳篷膠囊到位后,接近開關(guān)的指示燈亮,帳篷膠囊停止,鋼絲繩繃緊拉住帳篷膠囊。

2.3 依車開設(shè)式機(jī)構(gòu)的控制單元設(shè)計(jì)

依車開設(shè)式機(jī)構(gòu)配套一個(gè)控制單元。控制單元內(nèi)含數(shù)據(jù)交換模塊、無線通信模塊、中央控制模塊和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)的智能控制。

機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)采用成熟的工業(yè)PLC控制模式[7-8]。中央控制器PLC模塊通過感知各類開關(guān)、傳感器和編碼器的信號(hào)狀態(tài),集中分析處理,進(jìn)而控制電機(jī)運(yùn)行和指示燈開閉,以及將控制器、電動(dòng)機(jī)和傳感器的狀態(tài)發(fā)送到上位機(jī),供后臺(tái)集中調(diào)配控制,實(shí)現(xiàn)一鍵操控翻轉(zhuǎn)門的翻轉(zhuǎn)及帳篷膠囊的滑動(dòng),控制原理圖如圖7所示。

圖7 PLC控制系統(tǒng)原理框圖

依車開設(shè)式機(jī)構(gòu)支持按扭點(diǎn)觸、遠(yuǎn)程操控和上位機(jī)集中控制等多種控制模式。能夠?qū)崟r(shí)獲取內(nèi)部溫度、煙霧等環(huán)境數(shù)據(jù),發(fā)生險(xiǎn)情自動(dòng)斷電。如出現(xiàn)機(jī)構(gòu)卡滯、過載等不良現(xiàn)象,系統(tǒng)能自動(dòng)感知,停機(jī)并自鎖,防止發(fā)生意外。

按鈕點(diǎn)觸控制是指通過手控器上按鈕點(diǎn)觸操作實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。手控器上設(shè)置“帳篷膠囊上滑”“帳篷膠囊下滑”“翻轉(zhuǎn)門打開”“翻轉(zhuǎn)門關(guān)閉”按鈕,通過線纜連于控制單元之上。操作人員可在安全距離處一鍵控制依車開設(shè)式機(jī)構(gòu),手控器如圖8所示。

圖8 手控器圖

遠(yuǎn)程操控和上位機(jī)集中控制是通過RS232接收遠(yuǎn)程控制器的控制指令,通信接口:RS232。

3 系統(tǒng)降噪設(shè)計(jì)

依車開設(shè)式機(jī)構(gòu)的噪聲主要來源有:機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)之間的摩擦、電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)所有旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)均采用滾動(dòng)軸承承載設(shè)計(jì),摩擦力非常小,噪聲可以忽略不計(jì)。選用的伺服電動(dòng)機(jī)噪聲不超過55 dB。同時(shí)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)加裝靜音電動(dòng)機(jī)罩,罩內(nèi)壁粘貼防火蘑菇頭吸音棉,對(duì)系統(tǒng)噪聲進(jìn)行進(jìn)一步降低。整個(gè)系統(tǒng)工作噪聲可控制在65 dB以內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用表明,依車開設(shè)式機(jī)構(gòu)的運(yùn)輸和使用便捷,自動(dòng)化程度高,對(duì)操作人員動(dòng)手能力要求降低,經(jīng)過簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可一鍵操控,達(dá)到隨時(shí)隨地、快速搭建指揮場(chǎng)所的目的[9-10]。同時(shí)它具有承載能力大、效率高、系統(tǒng)噪聲小、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。此外,依車開設(shè)式機(jī)構(gòu)還可用于存儲(chǔ)與運(yùn)輸其他裝備,具有較廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。