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内置式手动天线升降支架设计的全面介绍

浏览: 2021-06-11 14:00:16

本文介绍了一种新型内置式手动天线升降杆的设计, 详细论述了其设计原理和内部结构。内置式手动天线升降杆具有显著的优点, 有广泛的应用前景。

1 前言
天线升降杆是为升降天线而设计, 随着机动车载天线需求量的增加, 天线升降杆已经得到广泛应用。本文设计的内置式天线升降杆是用滑轮和钢丝绳来提升各级杆,产品轻便快捷, 稳定可靠, 操作方便, 符合产品的使用要求, 获得用户好评。
天线升降杆按驱动方式通常分为手动方式、气动方式和电动方式。手动驱动天线升降杆一般采用钢丝绳、滑轮传动。早期升降杆产品, 钢丝、滑轮和升降机构外置, 影响外观,本文采用内置式设计。

2 设计原理
天线升降杆的结构简图见图1。图1 为三根杆的天线升降杆, 杆1 为固定杆, 里面的杆2、杆3 分别由一根钢丝绳承拉着, 它们分别是主动钢丝绳和从动钢丝绳。主动钢丝绳的一端固定在固定杆1 的a 处, 另一端从杆2 的下滑轮1、2 上绕过, 再上升绕到固定杆1 的上滑轮3, 并通过滑轮4 导出升降杆,固定在手摇机构上。从动钢丝绳的两端分别固定在固定杆1 的底部b、c 处, 中间绕过升降杆2 的上滑轮5、8 和升降杆3 的下滑轮6、7, 把杆3 托起。
当摇动手摇机构时, 主动钢丝绳被从升降杆内拉出, 杆2 被提起。当主动钢丝绳把杆2 提起时, 从动钢丝绳随着杆2 的上滑轮的升高而把杆3 同时提起。当天线升降杆内套着多根杆时, 内部升降杆的结构及运动方式与杆3 相同。
从天线升降杆的运动原理可以看出, 当主动钢丝绳移动时, 内套的所有升降杆将一起被提起, 下面对升降杆的运动状态作简单分析, 原理见图2。
当主动钢丝绳被拉出L 长时, 升降杆内主动钢丝绳的总长度将减少L。由图1 和图2 左视图比较, 钢丝绳的a1段和23段随着杆2 的提升缩短了$h1, 其它钢丝绳段长度没变。若a1= 23, 升降杆提升前a1= 23= A, 升高$h1 后,a 1= 23= B, 即$h1= A- B。当钢丝绳被拉出L时, 升降杆内钢丝绳总的缩短了2 ( A - B) 。由此得出L = 2( A - B) =2$h1, 即$h1= L/ 2。
当杆2 升高$h1 时, 再比较一下图1 和图2 右视图, 由于b、c 端固定在杆1 上没有位移, 杆2 的上滑轮5、8 随杆2 升高了$h1, 即b5和c8伸长了$h1。设杆3 相对于杆2 提升前56= 78= C, 当杆3 提升$h2 时, 56= 78= D, 即提升后56和78段长度缩短量为D- C= $h2。由于从动钢丝绳总长度一定, 故b5和c8段总的伸长量等于56和78段总的缩短量, 即2$h1= 2( D- C) = 2$h2, 得$h2= $h1= L/ 2。
当升降杆内套着多根杆时, 里面杆的升降原理同杆3 一样, 其$hn = L/ 2。
由上面公式可以看出当主动钢丝绳向外拉出L时, 所有升降杆同时升起, 且每根杆相对外面的杆提升高度为L/ 2, 升降杆总的提升高度为( n - 1) L / 2。
天线杆升降原理图
设计天线升降杆时, 每根钢丝绳的承受力是重要的参数, 下面计算一下主动钢丝绳所承受的力F 1。根据能量守衡定律, 当摩擦力忽略不计时, 力所作的功等于势能:
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 为从外向里第n 根升降杆的重量, 其中最里面的杆的重量包括天线负载的重量。
由上面的计算可知, 最外面的主动钢丝绳所受的力跟升降杆的根数和重量有关, 根数越多, 里层杆的重量越大, 钢丝绳所承受的力也就越大。

3 结构设计

3. 1 升降杆的内置式设计
这种内置式升降杆要求当天线升起后, 钢丝绳不裸露在外。这就要求设计时, 在杆与杆之间有限的空间内合理安排钢丝绳的缠绕方式。
首先, 升降杆的管材截面采用正方形截面。这是因为( 1) 杆内壁要安装滑轮, 需要大的安装平面, 若选用圆管, 它的内壁不好安装滑轮;( 2) 相同壁厚和截面积的管子, 方形比圆形的抗弯截面系数大。
第二, 天线升降杆的钢丝绳与杆件之间的缠绕形式如前面的结构简图( 图1) 所示。主动钢丝绳的安装平面在杆2 的中间平面内, 从动钢丝绳的安装平面在杆3 的中间平面内, 且与主动钢丝绳安装平面垂直。这种形式可以避免两根钢丝绳在同一平面内相互交叉碰闯。
第三, 滑轮安装关键在于减小摩擦。前面的原理受力计算过程忽略了摩擦力, 但钢丝绳在滑轮上滚动时产生的摩擦力是实际存在的, 而且如果设计考虑不周, 摩擦力将很大, 直接影响能否提起各级杆以及钢丝绳的粗细。因此在设计时滑轮内安装滚动轴承。

3. 2 手摇机构的设计
这种升降杆的另一个特点是手摇机构内置, 而不是将钢丝绳直接缠绕在外面。下面就简单介绍一下手摇机构的原理。
手动天线升降杆的手摇机构采用行星齿轮结构设计,其结构简图如图3 所示。齿轮b 为固定齿轮,齿轮a 为输入轴, 转臂H 为输出轴, 钢丝绳卷筒与转臂H 固定在一起, 其传动比计算如下:
手动天线升降杆手摇机构的结构简图
设Za= 18, Zb= 27, Zc= 72
i
H ab =-Zb/Za= -72/18 = - 4
i b
aH = 1 - iH
ab = 1- (- 4) = 5
提升过程如下:
( 1) 升降杆提升: 摇把转动齿, 转臂H 以5 倍速比输出, 带动卷筒转动缠绕钢丝绳, 上升停止后,靠棘轮、棘爪( 图中未画出) 锁住;
( 2) 升降杆下降: 按下棘抓( 图中未画出) , 升降杆在自重作用下自动下降( 即快速下降) , 适合使用要求; 下降速度的快慢可用手在摇把上加点阻尼来调整。

3. 3 钢丝绳计算实例
要求设计一个能负载G= 30kg , 提升高度18m的天线杆, 计算一下钢丝绳的大小。
设杆采用边长为a、壁厚为m 的方铝, 杆长度为L, 节数为7, 由此可推算出杆的重量由外向里分别为: G1= 17kg , G2= 10.6kg, G3= 9. 4kg, G4= 8. 2kg,G5= 7kg, G6= 5. 8kg, G7= 7kg。
代入公式( 1) , 得到最外面的钢丝绳受力为:
F = 1G 2 + 2 G 3 + 3G 4 + 4 G5+ 5 G 6 + 6( G 7 + G )2/ 2 = 166. 5
若考虑摩擦力和其它因素, 取安全系数为4, 则钢丝绳实际受力为4F, 即666kg。查设计手册, 选取直径–3 钢丝绳, 其抗拉强度最低715kg , 满足设计要求。