立體車庫升降傳輸裝置的設(shè)計(jì)

夏雨時，丁 頌，孫立巍，尚青鵬，張永偉

（長春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長春 130032）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)時代的到來和科技不斷進(jìn)步，汽車行業(yè)得到飛速發(fā)展，停車難的問題也隨之而來。在老舊小區(qū)以及城市生活中，機(jī)動車亂停放的現(xiàn)象普遍存在，因此立體車庫得到了應(yīng)用和推廣。目前市面上的車庫大多需要人工管理，且存取車效率低。為此，需設(shè)計(jì)一種高效率存取車的立體車庫。通過對立體車庫的研究，基于慧魚模型設(shè)計(jì)了一種升降傳輸裝置。該裝置通過程序控制齒輪齒條、絲杠螺母機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，達(dá)到高效存取車的目的。

1 升降傳輸裝置設(shè)計(jì)

升降傳輸裝置由連接塊、光杠、齒輪、步進(jìn)電機(jī)、承載板、絲杠和螺母組成（圖1）。光杠設(shè)計(jì)增加了裝置的穩(wěn)定性，將絲杠固定在光杠之間可節(jié)省空間，增加空間利用率。承載板由連接塊固定，螺母通過連接塊的中心位置與絲杠相連。步進(jìn)電機(jī)通過齒輪的嚙合將動力傳遞給絲杠螺母傳動機(jī)構(gòu)。當(dāng)有車輛需要停放時，車輛承載板移至下層，車輛在絲杠螺母傳動機(jī)構(gòu)的作用下上升至上層，實(shí)現(xiàn)存車目的。

圖1 升降傳輸裝置

對整個升降傳輸裝置進(jìn)行受力分析。在整個裝置中，受力的構(gòu)件分別為絲杠、螺母、承載板、外力為車輛的自重。升降傳輸裝置分為A，B，C 3個傳輸裝置。3個裝置中，絲杠與螺母之間的摩擦力為f，承載板受到3個裝置的推力分別為FN1，F(xiàn)N2，F(xiàn)N3、自重為G1，支持力為FN、車輛的自重為G2。3個裝置的受力相同，以A裝置進(jìn)行受力分析。

承載板上升時，向上的驅(qū)動力F=FN+FN1-f-G1-G2。取動摩擦系數(shù)為 μ=0.4。為使其受力平衡，F(xiàn)N≥G1+G2，F(xiàn)N1＞μFN1，由牛頓第二定律可得 FN+FN1-f-G1-G2=ma＞0，即 a＞0（a為加速度），承載板向上做勻加速直線運(yùn)動。承載板下降時，向下的驅(qū)動力F=G1+G2-FN-FN1-fG1+G2-FN-FN1-f=ma＜0，即 a＜0。承載板向下做勻減速直線運(yùn)動。

在車輛承載板材料的選擇方面，需要對升降傳輸裝置及承載板進(jìn)行總體強(qiáng)度校核。整個升降傳輸裝置和承載板構(gòu)成的整體可近似的看成懸臂梁結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)將小型轎車的自重等效為均布載荷q，升降傳輸裝置等效為固定端，承載板等效為懸臂梁，懸臂梁與固定端的連接處記為A。由分析可知，懸臂梁的固定端約束了端截面的移動和轉(zhuǎn)動，所以有鉛垂方向約束力FA和約束力偶MA。由平衡方程∑Fy=0和∑MA=0可得，F(xiàn)A=ql，MA=ql2/2。等效后的剪力圖如圖2所示，等效后的彎矩圖見圖3。

小型轎車自重力約1.2×107N，承載板的面積A=5 m2。鋼材的許用應(yīng)力[σ]=10 MPa。則承載板的應(yīng)力σ=FN/A=2.4 MPa＜10 MPa。

由上述分析可知，承載板的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，材料為鋼材。

圖2 等效后剪力

圖3 等效后彎矩

2 基于慧魚模型的車庫傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于慧魚模型設(shè)計(jì)了齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)和絲杠螺母傳動機(jī)構(gòu)。齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)由導(dǎo)軌、齒條、支撐塊、固定支撐組成，齒條、支撐塊、固定支撐可由慧魚零件搭接（圖4）。在整個傳動機(jī)構(gòu)中電機(jī)起著傳遞動力的作用?，F(xiàn)對齒輪齒條傳輸電機(jī)進(jìn)行選擇。

根據(jù)測得的數(shù)據(jù)可知，車庫底層和頂層的高度h=0.3 m。車位由底層上升至頂層所用的時間約為6 s。則齒條升降速度v1=h/t=0.05 m/s。

圖4 齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)

車位在下降時，齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)所受的力分別為承載板和汽車的自重，齒條與導(dǎo)軌間的摩擦力。測得承載板與模擬汽車的重量為3 kg。取動摩擦因數(shù)μ=0.4。則升降傳輸電機(jī)的功率P1=Fv1=（G-f），v=0.9 kW。

根據(jù)以上分析，選擇型號為28BYJ-12 V的步進(jìn)電機(jī)作為齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)的傳輸電機(jī)。該電機(jī)的最大輸出功率為1.5 kW，最大轉(zhuǎn)速為7689 r/min。

絲杠螺母傳動機(jī)構(gòu)主要由連接塊、光桿、絲杠以及螺母組成。絲杠螺母傳動機(jī)構(gòu)的動力由傳輸電機(jī)提供，現(xiàn)對絲杠螺母傳輸電機(jī)進(jìn)行選擇（圖1）。

測得絲杠轉(zhuǎn)過的路程s=0.34 m。車位由底層上升至頂層所用時間約8 s。則絲杠旋轉(zhuǎn)速度v2=s/t=0.042 5 m/s。

承載板與模擬汽車的重量為3 kg。取動摩擦因數(shù)μ=0.4。絲杠與螺母之間的摩擦力記為f。則用于絲杠螺母傳動系統(tǒng)的電機(jī)的功率P2=fv2=0.51 kW。

通過計(jì)算可知：選擇9 V的步進(jìn)電機(jī)作為絲杠螺母傳動機(jī)構(gòu)的傳輸電機(jī)。該電機(jī)的最大輸出功率為0.9 kW。最大轉(zhuǎn)速為5665 r/min。且具有正反轉(zhuǎn)功能，故滿足設(shè)計(jì)要求。

現(xiàn)對基于慧魚模型設(shè)計(jì)的2種機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體結(jié)果如表1所示。

表1 2種傳動方案對比實(shí)驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)對比齒輪齒條和絲杠螺母傳動機(jī)構(gòu)。絲杠螺母機(jī)構(gòu)具有自鎖功能，防止電機(jī)停轉(zhuǎn)或突然斷電給整個系統(tǒng)帶來安全隱患。因此，選擇絲杠螺母機(jī)構(gòu)作為升降傳輸裝置的傳動機(jī)構(gòu)。

3 車庫升降傳輸裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖5 程序控制流程

升降傳輸裝置控制系統(tǒng)包括對車位的豎直與水平運(yùn)動的控制，利用ROBO Pro編程軟件編寫程序。M1，M2和M3為升降傳輸裝置所用的電機(jī)，I1為程序總開關(guān)，I2，I3和I4分別為3號、4號、5號車位的控制開關(guān)。以存車為例。車主將車停在承載板上，按下總開關(guān)I1，程序開始啟動。按下3號車位開關(guān)I2，M2電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，大約5 s后M2電機(jī)停轉(zhuǎn)，車位上升至指定位置，存車完成。取車時，車主按下3號車位開關(guān)I2，M2電機(jī)反轉(zhuǎn)，經(jīng)過5 s后車位下降至地面，完成取車過程。通過延時程序控制M2電機(jī)正轉(zhuǎn)，車位上升至指定位置，為下層車位留出空間，方便下一輛車的停放。具體程序控制流程如圖5所示。

4 結(jié)語

針對目前車庫存取車效率低、穩(wěn)定性差等問題，基于慧魚模型設(shè)計(jì)了一種立體車庫升降傳輸裝置。該裝置主要由絲杠螺母、承載板和步進(jìn)電機(jī)組成，通過絲杠螺母傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動來進(jìn)行車位的升降，通過程序控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到高效率存取車的目的。同時融合了機(jī)電一體化技術(shù)。該升降傳輸裝置應(yīng)用廣泛，對未來立體車庫的建設(shè)具有理論意義。