內(nèi)置式手動(dòng)天線升降支架設(shè)計(jì)的全面介紹

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本文介紹了一種新型內(nèi)置式手動(dòng)天線升降桿的設(shè)計(jì), 詳細(xì)論述了其設(shè)計(jì)原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。內(nèi)置式手動(dòng)天線升降桿具有顯著的優(yōu)點(diǎn), 有廣泛的應(yīng)用前景。

1 前言
天線升降桿是為升降天線而設(shè)計(jì), 隨著機(jī)動(dòng)車載天線需求量的增加, 天線升降桿已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的內(nèi)置式天線升降桿是用滑輪和鋼絲繩來提升各級(jí)桿,產(chǎn)品輕便快捷, 穩(wěn)定可靠, 操作方便, 符合產(chǎn)品的使用要求, 獲得用戶好評(píng)。
天線升降桿按驅(qū)動(dòng)方式通常分為手動(dòng)方式、氣動(dòng)方式和電動(dòng)方式。手動(dòng)驅(qū)動(dòng)天線升降桿一般采用鋼絲繩、滑輪傳動(dòng)。早期升降桿產(chǎn)品, 鋼絲、滑輪和升降機(jī)構(gòu)外置, 影響外觀,本文采用內(nèi)置式設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)原理
天線升降桿的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1。圖1 為三根桿的天線升降桿, 桿1 為固定桿, 里面的桿2、桿3 分別由一根鋼絲繩承拉著, 它們分別是主動(dòng)鋼絲繩和從動(dòng)鋼絲繩。主動(dòng)鋼絲繩的一端固定在固定桿1 的a 處, 另一端從桿2 的下滑輪1、2 上繞過, 再上升繞到固定桿1 的上滑輪3, 并通過滑輪4 導(dǎo)出升降桿,固定在手搖機(jī)構(gòu)上。從動(dòng)鋼絲繩的兩端分別固定在固定桿1 的底部b、c 處, 中間繞過升降桿2 的上滑輪5、8 和升降桿3 的下滑輪6、7, 把桿3 托起。
當(dāng)搖動(dòng)手搖機(jī)構(gòu)時(shí), 主動(dòng)鋼絲繩被從升降桿內(nèi)拉出, 桿2 被提起。當(dāng)主動(dòng)鋼絲繩把桿2 提起時(shí), 從動(dòng)鋼絲繩隨著桿2 的上滑輪的升高而把桿3 同時(shí)提起。當(dāng)天線升降桿內(nèi)套著多根桿時(shí), 內(nèi)部升降桿的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方式與桿3 相同。
從天線升降桿的運(yùn)動(dòng)原理可以看出, 當(dāng)主動(dòng)鋼絲繩移動(dòng)時(shí), 內(nèi)套的所有升降桿將一起被提起, 下面對(duì)升降桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作簡(jiǎn)單分析, 原理見圖2。
當(dāng)主動(dòng)鋼絲繩被拉出L 長(zhǎng)時(shí), 升降桿內(nèi)主動(dòng)鋼絲繩的總長(zhǎng)度將減少L。由圖1 和圖2 左視圖比較, 鋼絲繩的a1段和23段隨著桿2 的提升縮短了$h1, 其它鋼絲繩段長(zhǎng)度沒變。若a1= 23, 升降桿提升前a1= 23= A, 升高$h1 后,a 1= 23= B, 即$h1= A- B。當(dāng)鋼絲繩被拉出L時(shí), 升降桿內(nèi)鋼絲繩總的縮短了2 ( A - B) 。由此得出L = 2( A - B) =2$h1, 即$h1= L/ 2。
當(dāng)桿2 升高$h1 時(shí), 再比較一下圖1 和圖2 右視圖, 由于b、c 端固定在桿1 上沒有位移, 桿2 的上滑輪5、8 隨桿2 升高了$h1, 即b5和c8伸長(zhǎng)了$h1。設(shè)桿3 相對(duì)于桿2 提升前56= 78= C, 當(dāng)桿3 提升$h2 時(shí), 56= 78= D, 即提升后56和78段長(zhǎng)度縮短量為D- C= $h2。由于從動(dòng)鋼絲繩總長(zhǎng)度一定, 故b5和c8段總的伸長(zhǎng)量等于56和78段總的縮短量, 即2$h1= 2( D- C) = 2$h2, 得$h2= $h1= L/ 2。
當(dāng)升降桿內(nèi)套著多根桿時(shí), 里面桿的升降原理同桿3 一樣, 其$hn = L/ 2。
由上面公式可以看出當(dāng)主動(dòng)鋼絲繩向外拉出L時(shí), 所有升降桿同時(shí)升起, 且每根桿相對(duì)外面的桿提升高度為L(zhǎng)/ 2, 升降桿總的提升高度為( n - 1) L / 2。
天線桿升降原理圖
設(shè)計(jì)天線升降桿時(shí), 每根鋼絲繩的承受力是重要的參數(shù), 下面計(jì)算一下主動(dòng)鋼絲繩所承受的力F 1。根據(jù)能量守衡定律, 當(dāng)摩擦力忽略不計(jì)時(shí), 力所作的功等于勢(shì)能:
F 1 # L = G 2 # L / 2 + G 3 #2 # L / 2 + G 4 # 3 # L / 2+ ,+ Gn # ( n - 1) # L / 2
得:F1 = 1G 2 + 2G 3 + 3G4 + ,+ ( n - 1) Gn2/ 2( 1)
其中: Gn 為從外向里第n 根升降桿的重量, 其中最里面的桿的重量包括天線負(fù)載的重量。
由上面的計(jì)算可知, 最外面的主動(dòng)鋼絲繩所受的力跟升降桿的根數(shù)和重量有關(guān), 根數(shù)越多, 里層桿的重量越大, 鋼絲繩所承受的力也就越大。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3. 1 升降桿的內(nèi)置式設(shè)計(jì)
這種內(nèi)置式升降桿要求當(dāng)天線升起后, 鋼絲繩不裸露在外。這就要求設(shè)計(jì)時(shí), 在桿與桿之間有限的空間內(nèi)合理安排鋼絲繩的纏繞方式。
首先, 升降桿的管材截面采用正方形截面。這是因?yàn)? 1) 桿內(nèi)壁要安裝滑輪, 需要大的安裝平面, 若選用圓管, 它的內(nèi)壁不好安裝滑輪;( 2) 相同壁厚和截面積的管子, 方形比圓形的抗彎截面系數(shù)大。
第二, 天線升降桿的鋼絲繩與桿件之間的纏繞形式如前面的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖( 圖1) 所示。主動(dòng)鋼絲繩的安裝平面在桿2 的中間平面內(nèi), 從動(dòng)鋼絲繩的安裝平面在桿3 的中間平面內(nèi), 且與主動(dòng)鋼絲繩安裝平面垂直。這種形式可以避免兩根鋼絲繩在同一平面內(nèi)相互交叉碰闖。
第三, 滑輪安裝關(guān)鍵在于減小摩擦。前面的原理受力計(jì)算過程忽略了摩擦力, 但鋼絲繩在滑輪上滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力是實(shí)際存在的, 而且如果設(shè)計(jì)考慮不周, 摩擦力將很大, 直接影響能否提起各級(jí)桿以及鋼絲繩的粗細(xì)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)滑輪內(nèi)安裝滾動(dòng)軸承。

3. 2 手搖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
這種升降桿的另一個(gè)特點(diǎn)是手搖機(jī)構(gòu)內(nèi)置, 而不是將鋼絲繩直接纏繞在外面。下面就簡(jiǎn)單介紹一下手搖機(jī)構(gòu)的原理。
手動(dòng)天線升降桿的手搖機(jī)構(gòu)采用行星齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3 所示。齒輪b 為固定齒輪,齒輪a 為輸入軸, 轉(zhuǎn)臂H 為輸出軸, 鋼絲繩卷筒與轉(zhuǎn)臂H 固定在一起, 其傳動(dòng)比計(jì)算如下:
手動(dòng)天線升降桿手搖機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
設(shè)Za= 18, Zb= 27, Zc= 72
i
H ab =-Zb/Za= -72/18 = - 4
i b
aH = 1 - iH
ab = 1- (- 4) = 5
提升過程如下:
( 1) 升降桿提升: 搖把轉(zhuǎn)動(dòng)齒, 轉(zhuǎn)臂H 以5 倍速比輸出, 帶動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)纏繞鋼絲繩, 上升停止后,靠棘輪、棘爪( 圖中未畫出) 鎖住;
( 2) 升降桿下降: 按下棘抓( 圖中未畫出) , 升降桿在自重作用下自動(dòng)下降( 即快速下降) , 適合使用要求; 下降速度的快慢可用手在搖把上加點(diǎn)阻尼來調(diào)整。

3. 3 鋼絲繩計(jì)算實(shí)例
要求設(shè)計(jì)一個(gè)能負(fù)載G= 30kg , 提升高度18m的天線桿, 計(jì)算一下鋼絲繩的大小。
設(shè)桿采用邊長(zhǎng)為a、壁厚為m 的方鋁, 桿長(zhǎng)度為L(zhǎng), 節(jié)數(shù)為7, 由此可推算出桿的重量由外向里分別為: G1= 17kg , G2= 10.6kg, G3= 9. 4kg, G4= 8. 2kg,G5= 7kg, G6= 5. 8kg, G7= 7kg。
代入公式( 1) , 得到最外面的鋼絲繩受力為:
F = 1G 2 + 2 G 3 + 3G 4 + 4 G5+ 5 G 6 + 6( G 7 + G )2/ 2 = 166. 5
若考慮摩擦力和其它因素, 取安全系數(shù)為4, 則鋼絲繩實(shí)際受力為4F, 即666kg。查設(shè)計(jì)手冊(cè), 選取直徑–3 鋼絲繩, 其抗拉強(qiáng)度最低715kg , 滿足設(shè)計(jì)要求。