齿轮型座架俯仰传动链设计

2021-08-02谷立永

河北省科学院学报 2021年3期

谷立永

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050000)

1 背景介绍

车载天线[1]的设计需要考虑运输性，为了使天线满足铁路、公路运输性以及海运和空运的要求，目前的座架[2]俯仰驱动多采用螺旋传动[3]。螺旋传动是靠螺旋与螺纹牙面旋合实现回转运动与直线运动的转化。由于需要考虑自锁性，俯仰驱动采用小螺旋升角的滑动螺旋传动。该传动的缺点是传动效率低、发热明显，并且磨损较快。因而滑动螺旋传动不适用于传动速度快的工况。滑动螺旋传动的缺点，使得天线设备的转速指标成为天线综合性能提升的技术瓶颈。针对此种情况，将俯仰驱动由螺旋传动改为齿轮传动，大幅度提高天线俯仰的转速指标。

2 设计

2.1 设计简介

天线座架是用于支撑天线并完成方位、俯仰运动的系统。天线座架选用方位—俯仰转台式座架。俯仰驱动系统置于方位转盘上，并采用叉臂型转台形式，运动范围为0°～90°，通过把俯仰轴布置在相对于方位轴异面垂直的位置，并把与天线骨架的连接位置布置在天线骨架下方的外侧，实现结构空间排布。

天线座架俯仰传动链见图1。以下对齿轮型俯仰传动的速度、载荷、回差、冲击振动和指向精度进行设计计算。

图1 俯仰传动链

2.2 俯仰机构

俯仰驱动由交流伺服电机[5]、蜗杆蜗轮减速器、行星减速器和末级平行齿等部分组成，这种布置方式将俯仰驱动布置在后部的俯仰支臂内，整体尺寸更紧凑，外形更美观，由于采用行星减速器和大模数平行齿传动，齿面啮合的刚性较普通螺旋传动成倍数增长，传动链的谐振频率[6]大幅提升，有利于天线满足快速对星的要求。

俯仰同步由码盘、接近开关和碰块组成，码盘可以读取天线的转动角度，接近开关和碰快可以起到电限位的作用，通过采集码盘反馈的信息进而控制天线的转动，形成闭环控制系统[7]，避免天线转动超出行程要求。

2.3 俯仰传动链速度设计

电机选用2.7kW交流伺服电机，额定扭矩M1为17.8N·m，额定转速n1为1500rpm。减速器选用蜗轮蜗杆和行星减速器组合，总减速比为i为2652，其中蜗轮蜗杆减速比i1为26，效率η1为33%；行星减速比i2为20.4，效率η2为90%，末级平行齿传动速比i3为5，效率η3为95%。

天线俯仰转动速度ω1的计算公式为：

2.4 俯仰传动链载荷计算

俯仰传动的载荷分为风载荷、重力载荷、摩擦载荷和惯性载荷，本研究天线，风载荷和重力载荷为主要载荷，对天线进行俯仰载荷计算，计算结果见图2。当天线处于方位0°俯仰60°时，俯仰载荷最大，此时ME为12209N·m。

图2 俯仰载荷

当电机输出额定扭矩时，末级的驱动扭矩M2:

M2=M1×i1×i2×i3×η1×η2×η3=13319N·m

M2>ME,设计满足要求。

2.5 俯仰传动回差计算

传动链的回差Δ1影响天线的指向精度，需要综合考虑机械加工能力和速比选择。本产品俯仰减速器回差为δ1，末级平行齿传动齿隙为δ2，末级大齿轮的分度圆直径为D1，承载时大齿轮的变形δ3，如图3所示为0.108。

图3 齿轮力学分析

传动链回差δ的计算公式为：

0.039°

2.6 俯仰传动振动仿真

俯仰转动过程中，惯性载荷会引起传动链的冲击振动，进而影响天线的指向精度。使用ADAMS软件进行建模，仿真计算座架俯仰运动的振动情况。将天线简化为质量块，通过连杆与俯仰轴连接，在俯仰轴处添加扭簧，设置扭簧的刚性和阻尼参数，建模模型见图4，仿真结果见图5。由仿真结果可知，振动对指向的影响Δ2为0.012°。