重载型横向扩展机构的研制

王国忠 石金明 邵益龙 田锋

杭州恒宏机械有限公司 浙江杭州 311212

1 前言

目前，大型房车[1]、大型方仓横向扩展空间的需求较大，要求车载用扩展机构具备大行程扩展和高承载性。下面介绍一款新型机电产品重载型横向扩展机构。

此机构可用于房车、方仓等设备横向空间的扩展，此外，该重载型横向扩展机构还具备大承载的特性，能够满足部分设备仓的扩展，扩大了装置的实用性，重载型横向扩展机构还可适用于特种车辆的改装。

2 重载型横向扩展机构设计思路及功能

2.1 设计思路

重载型横向扩展机构的设计原则是安全可靠、操作简便、实用先进、维修简便[2]。其研制的基本思路是：a.为方便装配，设计为滑轨和推杆一体式装置；b.采用矩形钢管套接的形式组合成滑轨，其内部设计为滚动轴承与钢管滚动，采用承载大的滚针轴承，使其有较好的摩擦系数和较大的承载；c.推杆采用电动推杆的形式，滚针丝杆转动推动内管伸出，实现推杆的伸缩；d.为保证推杆两边的同步性，采用中间布置电机减速箱，尽可能地保证两推杆传动的同步性；e.在电机减速箱处设置六角接口，可以用套筒棘轮扳手在紧急状态下手动收回，因电机减速装置固定于框架上，此处在设计时箱体需留相应的维修孔；f.定位及限位装置采用行程开关限位，配置伸缩控制盒。

2.2 研究方向

重载型横向扩展机构主要应用于重型方仓的扩展，主要研究方向是将重型横向扩展机构整合，做成一体，使安装调试简单化；解决推杆之间的同步问题，使方仓在扩展过程中不出现一前一后的抖动等现象；在方仓运输过程中会有震动和左右的倾斜，需保持扩展仓的锁定，保证扩展仓不会因外力自动滑出，影响安全；在机构上保证其有安全可靠的承载，并且具有比较大的承载质量。

2.3 主要技术指标

承载机构使用电压为DC24V，电机额定功率为120 W，机构最大载重质量为1 500 kg，额定推杆推力为8 900 N，限流保护电流为10 A，允许扩展最大行程为1 000 mm，扩展仓沉降≤5 mm，扩展时间≤85 s，工作环境温度范围为-25℃～55℃，作业噪音≤50 dB，可靠性为800次循环无故障，耐盐雾为满足96 h试验要求。

2.4 主要功能

a. 整套机构上可承载约1 500 kg的静载载重，并将其扩张至1000 mm；

b. 断电自动锁定功能，防止运输过程中因抖动而滑出仓体；

c. 失电状况下可手动操作，将仓体伸出收回；

d. 具有最小和最大行程限位功能。

3 系统组成

重载型横向扩展机构主要由固定安装框架、承载滑轨机构、电动推拉伸缩杆机构、集成控制器及适配电源等部分组成。

下面分别对主要零部件的结构、功能、性能参数计算等作详细说明。

3.1 固定安装框架

固定安装框架根据扩展仓的结构及安装要求而定制，原则上要求框架结构紧凑，结构强度高，安全可靠，材料在保证强度的基础上选用市场较为普遍的结构材料，通常采用Q345等优质结构钢。

如图1所示为两种方仓的框架结构。

图1 方仓的框架两种结构示意图

3.2 承载滑轨机构

3.2.1 承载滑轨机构内部结构

承载滑轨机构内部结构如图2所示。

图2 承载滑轨内部结构

承载滑轨由图2所示零部件组成，滑轨外管、滑轨内管与内管轴承为主承受力点。4根滑轨最大承载力是1 500 kg，可参考图3承载滑轨机构的受力分析。承载滑轨机构的受力分析如图3所示，应力分析可见，机构能够满足最大承载要求。

图3 应力分析

3.2.2 承载滑轨机构的受力分析

3.2.3 承载滑轨机构的受力计算

滑轨内部设计装置5对圆柱滚子轴承，型号为NU2204E。单个额定圆柱滚子轴承额定动载30 kN，静载31 kN,受力时为两只圆柱滚子轴承同时受力，其一对轴承的承载取值45 kN。 F1端面受力取5 kN，伸出端 L1的长度取值长2 000 mm，支点至尾部轴承的力臂 2L取值900 mm。

支点轴承处的滑轨的受力计算：

可见，在滑轨结构满足强度要求的情况下，轴承的受力情况满足滑轨的使用要求。

3.3 传动装置的设计

3.3.1 传动装置的结构原理

传动机构为电动推拉杆的形式，在横推机构上布置三根电动推拉杆，采用中间布置主推力电动推拉杆，两侧为从动推拉杆，电机安装在中间的电动推拉杆上，通过减速箱的传动将两侧的从动推拉杆同步动作，最终达到同步推拉的效果。电动推拉杆的尾部用铰支的连接方式固定在框架上，另一端齿轮箱体与滑轨的内管通过推出角钢相连接，当电动推拉杆动作时，承载滑轨内管同步伸缩。

图4 传动装置的示意图

3.3.2 电动推拉杆的结构设计

从创立之初至今的25年间，利丰雅高顺应市场潮流，兼具开拓者与追随者的特性，在发展过程中，做出了两次大的战略决策。

电动推拉杆是重载型横向扩展机构的动力部件，分别由中间电动推拉杆和两侧电动推拉杆组成。此三处电动推拉杆是丝杆套接结构，由电机带动齿轮转动，顶出丝杆，以此达到该机构向外横向扩展的功能。

中间电动推拉杆的结构如图5所示，两侧从动电动推拉杆的结构如图6所示。

电动推拉杆的工作原理为：动力源为带减速箱的直流电机，电机通电转动，经减速箱的减速带动等比锥齿的转动，通过等比直角锥齿的换向使主动转轴转动，又经一对等比锥齿的换向使滚珠丝杆的转动，丝杆与螺母间的传动实现了电动推拉杆的伸缩。从动杆上的动力是由主动转轴通过传动轴传递的。

3.3.3 传动机构的设计计算

传动机构要求电源电压为DC24V，选用直流有刷电机，配减速器，电机选型为Z5D120-24，功率为120 W，空载转速为3 200 r/min，额定负载转速为2 600 r/min，额定满载电流为7.0 A，电机转矩为0.441 Nm，电机选配行星减速器型号为5GU18KB，减速比为1:18，锥齿轮为等比直角齿，故减速比为1，锥齿轮只做换向用。

图5 中间电动推拉杆结构

图6 两侧电动推拉杆结构

滚珠丝杆传递的额定力矩下，电动推拉杆的推拉力的计

又由:

式中，M丝杆为传递至滚珠丝杆上的扭矩，Nm； F推力 为电动推拉杆最终形成的推拉力，N；P为滚珠丝杆的导程，mm；η为滚珠丝杆的机械效率，一般取值0.9； T电机为电机的转矩，N·m； u为减速箱的减速比。

计算可得， M丝杆=7.938 Nm，电动推拉杆的额定推拉力约为8 900 N。

电动推拉杆的推出速度的计算公式为:

故推拉杆的推拉速度V推出=P×V丝杆=12 mm/s。

3.4 控制器的设计

重载型横向扩展机构控制器采用8051单片机编程[3]，控制稳定、高效、方便、可靠。

3.4.1 采用行程开关限位

限位挡圈固定在电动推拉杆的外管上，因推拉杆固定于角钢上，推拉杆在动作时外管随角钢的移动而伸缩，实现限位的目的。限位的布置如图7所示。

图7 行程开关限位的布置

3.4.2 控制的逻辑

控制的逻辑如图8所示，伸出开关和缩回开关为同一个船型开关。操作步骤为，打开电源开关，按下开关的伸出键，电机转动推拉杆伸出，推拉杆伸展至伸出限位时停止，如果限位没有给控制箱信号，机构堵转保护；按下缩回开关机构缩回，缩回至原位即缩回限位器起作用，逻辑与开关信号相同。

图8 控制的逻辑图

4 技术难点及创新

4.1 整合零部件模块化配置

起初的样品制作是散件，部件分别安装在对方单位的车架上，但是经过几次的安装调试发现了安装上的许多问题，最主要的问题是散件安装在车上后往往会因为精度问题配合不好，装出来的机构经常有很大的噪音，更甚者推杆与滑轨之间直接卡住，导致电机烧坏、机构损坏等诸多故障。经协调，在车架上加装一个框架，保证各个机构之间运行顺畅，且安装省时省力，提高了安装质量，安装调试也更加方便。

4.2 推杆的同步

在设计之初，采用一推杆一从动推杆的安装布置，由于两推杆之间的中心距较短，相对于承载滑轨的位置是不对称的。导致机构在运行中出现左右两侧推出不同步，经常是一边合缝，一边还未关合；此外机构在运行过程中还出现抖动、噪音等问题。因此在后面的重载型横向扩展机构设计制造中采用的是三推杆形式，中间推杆作为主动推杆，两侧推杆从动，推杆的布置尽量保持结构上的对称，这样就实现了扩展仓的同步稳定扩展。

4.3 机构自锁性

第一次样品测试时，发现重载型横向扩展机构在车辆的运输过程中会出现震动和左右倾斜的现象，时间久了之后，扩展仓会因外力的作用慢慢滑出，不能自锁，影响了使用的安全。分析原因发现是由于推杆采用滚珠丝杆传动，滚珠丝杆不能自锁，受震动等外力因素的作用导致扩展仓易松动拓出，因此在推杆内部加装扭力弹簧增加回旋的阻力，同时利用电机齿轮的阻力，两阻力相加实现推杆机构的相对自锁。

5 结语

为检验重载型横向扩展机构的稳定性及其耐久性，进行了仿真模拟测试，对各零部件的使用寿命进行整体性配合试验。试验方法为每10 min进行一次循环，对每项测试结果进行记录，保证其800次的寿命。试验结果表明，该重载型横向扩展机构的稳定性及其耐久性均满足设计要求，可用于房车、方仓等设备的横向空间的扩展，具有广泛的应用前景。