基于平行四邊形機構的油機提升裝置設計

胡志堅 趙柏程

摘? 要：為了提高猛士車柴油發電機組（以下簡稱“油機”）上下車的便利性，設計了基于平行四邊形機構的油機提升裝置設計，該裝置采用平行四邊形四桿機構運動原理，對油機提升過程進行運動分析，得出最大受力工況，利用力矩平衡原理計算驅動裝置力矩及功率，分析了關鍵零部件的受力情況并對其進行了有限元強度校核，分析結果顯示各項性能指標滿足技術指標要求。

關鍵詞：油機、提升裝置、平行四邊形、輕量化

一、引言

目前輕高機底盤電力來源主要有發動機取力發電、車載油機發電、外接市電三種形式，根據不同的任務需求通常采取多種取電方式并存，野外特種作業等專用車往往采用車載油機發電，發電機下車工作，發電機噪聲和振動不會傳導到車體上，對在車廂內工作的人員幾乎無影響，且下車后使用維護非常便利，但是大功率發電機自身重量較重，上下車需要人工搬運比較費勁，為了提高油機上下車的便利性，提高整車的裝載量，設計了一種輕高機猛士底盤的輕量化油機提升裝置。

二、提升裝置技術指標

基于平行四邊形機構設計的油機提升裝置主要技術指標如下。

1）提升高度：980mm;

2）提升/撤收時間：1min;

3）提升重量：120Kg;

4）設備自重：75Kg;

5）提升到位后能夠可靠鎖定與解鎖。

設計油機提升裝置時要充分考慮可靠性、人機工程學，在滿足功能技術指標動的前提下，還要使其結構緊湊、美觀、輕巧。

三、提升裝置工作原理簡介

油機提升裝置通過普通減速電機驅動高力矩渦輪蝸桿減速機帶動主動臂旋轉實現吊籃從車上運動到地面，以及從地面運動到車上，提升裝置利用渦輪蝸桿的自鎖性可在提升過程任意位置停止并鎖定，在初始狀態下，油機安裝在吊籃上，吊籃通過可調高度的橡膠緩沖柱限位，在電磁鐵磁力作用下限制吊籃在X、Y、Z三個坐標軸方向的運動，能夠有效抵御運輸顛簸，電磁鐵通電后磁力消失，開啟電機可通過執行裝置翻轉到地面工作。執行裝置可簡化為一個四桿機構，其中AB桿為機架，AC桿為主動搖桿，BD桿為從動搖桿，CD桿為連桿，如下圖所示。

油機上車過程為下車過程的逆過程，油機的下車工作流程如下圖所示：

四、結構組成

油機提升裝置包含驅動裝置、執行裝置、鎖定裝置、緩沖限位裝置、位置檢測裝置、控制箱等部件組成。其中驅動裝置主要包含電機、高力矩渦輪蝸桿減速機，執行裝置主要包含固定基座、主動臂、從動臂、吊籃、軸套、銷軸等組成，鎖定裝置主要由斷電保持型電磁鐵、安裝座等組成，緩沖限位裝置主要由可調螺柱、橡膠柱等組成，位置檢測裝置主要由光電接近開關、安裝座等組成，如下圖所示。

五、計算過程

從運動過程分析可知主動臂AC呈水平狀態時，此時的阻力臂Lmax最長（約800mm左右），阻力矩最大。

1）力矩計算

T阻=（G1+G2）×Lmax

油機（滿油、滿水狀態）加吊籃按120kg估算，Lmax=800mm，通過上述公式計算可知T阻=941Nm。

T驅動=S安全×T阻

初選力矩安全系數為S力矩=1.5左右，通過上述公式計算可知T驅動=1412Nm。

2）速比計算及分配

下車動作過程初步按1min計算，上車到下車過程主動臂AC轉動180°，那么渦輪蝸桿箱的輸出轉速為0.5r/min，初選電機轉速為3000r/min，那么總速比為：

i=3000/0.5=6000

根據減速電機以及渦輪蝸桿箱的樣本規格系列，初選i減速電機=81，i渦輪蝸桿=71，則i總=5751。

3）輸出轉速及工作時間計算

n渦輪蝸桿= n輸入/i總

n渦輪蝸桿=0.52r/min，實際翻轉工作時間為t=57.51s<1min滿足要求。

4）電機功率計算

根據減速電機、渦輪蝸桿選型樣本可知η減速電機=0.8，η渦輪蝸桿=0.4，代入公式計算可知P=240W，根據減速電機樣本規格系列初選電機功率為350W，電機功率有充足的安全裕量。

六、有限元分析

隨著軍工裝備的改革深化，各軍種對裝備的輕量化要求也越來越高。裝備輕量化設計，減輕自重，使車輛具有較高的裝載余量，該油機提升裝置為了減小安裝尺寸，提高電機作業效率，吊籃、主動臂、從動臂根據受力情況采用鏤空、加減重孔等設計思路，通過Ansys workbench有限元仿真分析驗證設計目的。

吊籃材質為Q355，吊籃的上端左右兩處安裝孔采用固定約束，在吊籃底部加均布載荷100kg，力的方向垂直于底面豎直向下，網格采用四面體單元劃分，網格尺寸為2mm，網格節點450265個，單元個數241447個，吊籃邊界條件、應力云圖如下圖所示。

主動臂材質為Q355，屈服強度[σs]=355Mpa，主動臂的輸入端螺紋孔采用固定約束，通過Ansys軟件反求吊籃銷軸上的反作用力大小與方向，在輸出端圓柱面加載938.13N，網格采用四面體單元劃分，網格尺寸為2mm，網格節點139138個，單元個數77171個，主動臂邊界條件、應力云圖。

根據有限元分析結果可知，吊籃最大應力151.74Mpa，S2=355/ 151.74=2.3，主動臂最大應力為39.5MPa，安全系數S1=355/39.5=8.9，從動臂最大應力為283.8MPa，安全系數S1=690/283.8=2.4，在一系列減重措施的情況下，吊籃、主動臂、從動臂應力均小于屈服強度，滿足可靠性要求。

七、結論

通過設計計算、仿真分析、實物驗證可知采用電機驅動高力矩渦輪蝸桿減速機帶動一個平行四邊形四桿機構旋轉實現油機隨吊籃上下車，該裝置工作機理清晰、可靠性高、體積小、重量輕，設計滿足實際需求。

參考文獻

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