回轉(zhuǎn)升降式立體車庫(kù)模型的扭矩分析

勞振鵬 東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 黃市生 黎梓恒 曾志彬 吳國(guó)洪 東莞市橫瀝模具科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司 羅鴻彬 東莞市朝茗機(jī)電科技有限公司

前言：針對(duì)現(xiàn)有小區(qū)停車面積較小、路況細(xì)長(zhǎng)的問題為研究對(duì)象，車庫(kù)采用了創(chuàng)新的回轉(zhuǎn)升降式機(jī)構(gòu)，以及采用了創(chuàng)新的梳狀停車搬運(yùn)系統(tǒng)，有效提高搬運(yùn)效率和停車效率，能夠符合大多數(shù)小區(qū)使用，能有效解決現(xiàn)有小區(qū)停車難問題。本文將此回轉(zhuǎn)升降式立體車庫(kù)按1：24縮小為模型，針對(duì)回轉(zhuǎn)升降式立體車庫(kù)模型的機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷，回轉(zhuǎn)搬運(yùn)小車時(shí)所產(chǎn)生的扭矩，增加了電機(jī)負(fù)載計(jì)算的復(fù)雜性，同時(shí)也需要保證小車在運(yùn)行過程中穩(wěn)定，由此，在回轉(zhuǎn)升降式機(jī)構(gòu)、梳狀停車搬運(yùn)系統(tǒng)中選擇合適的電機(jī)尤為重要。本文將對(duì)回轉(zhuǎn)升降式立體車庫(kù)模型進(jìn)行扭矩分析。

1 結(jié)構(gòu)概述

本文所設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)升降式立體車庫(kù)的機(jī)構(gòu)部分由鋁型材框架、回轉(zhuǎn)升降臺(tái)、橫向搬運(yùn)器、梳狀停車臺(tái)、動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成。本文所設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)升降式立體車庫(kù)模型的控制系統(tǒng)均由STM32單片機(jī)系統(tǒng)控制。回轉(zhuǎn)升降式立體車庫(kù)模型的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮電機(jī)的尺寸，為保證小車運(yùn)行的穩(wěn)定性，因而回轉(zhuǎn)升降式立體車庫(kù)模型扭矩分析時(shí)要綜合考慮電機(jī)的外形尺寸和本體結(jié)構(gòu)的相互影響。如果采用試算和經(jīng)驗(yàn)的方法往往會(huì)選擇過大的電機(jī)，或者是扭矩不足，致使該回轉(zhuǎn)升降式立體車庫(kù)模型體積過大或者動(dòng)力不足而影響車庫(kù)的性能和外觀。

2 軟件系統(tǒng)搭建

本文設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)升降式立體車庫(kù)模型中的回轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)需要兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得小車停在停車板后能實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)和升降。

2.1 第一步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算

本文中所設(shè)計(jì)的第一步進(jìn)電機(jī)通過同步帶連接到回轉(zhuǎn)升降臺(tái)，帶動(dòng)回轉(zhuǎn)升降臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。取軸承座的傳動(dòng)效率η1=0.99；同步帶的傳動(dòng)效率η2=0.98，則其此部分的機(jī)械傳動(dòng)總效率為ηa1=η1*η2=0.99*0.98=0.97。

已知傳動(dòng)過程中所需轉(zhuǎn)過的角度為90°，所需時(shí)間約為t=4s，則角速度為：

已知此同步帶輪外徑直徑為D1=12.42mm，則第一步進(jìn)電機(jī)的輸出功率為：

式中：m1—模型小車的重量0.2kg；m2—回轉(zhuǎn)升降臺(tái)的重量0.3kg；g—重力加速度；D1—同步帶輪外徑直徑；ω—角速度；ηa1—此部分機(jī)械傳動(dòng)總效率。

因此，可以求得第一步進(jìn)電機(jī)的輸出功率為Pd1=0.0075W，轉(zhuǎn)矩為 Td1=0.12N.m

代入以上數(shù)據(jù)計(jì)算，得Pd1=0.0075W，ω=0.0625rad/s，Td1=0.12N.m。根據(jù)以上計(jì)算，最終選擇型號(hào)為42BYG250A-0151（1.8°1.5A）的步進(jìn)電機(jī)。

由于本文選取第一步進(jìn)電機(jī)的同步帶輪直徑相同，減速比為1，無(wú)需選取減速機(jī)。

考慮到該電機(jī)頻繁動(dòng)作，需要選擇運(yùn)行平穩(wěn)可靠的驅(qū)動(dòng)器，因此選擇與該電機(jī)配套的高性能驅(qū)動(dòng)器DM542。

2.2 第二步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算

本文中所設(shè)計(jì)的第二步進(jìn)電機(jī)通過同步帶連接到滾珠絲桿，帶動(dòng)汽車模型以及工作臺(tái)一起升降。取同步帶的傳動(dòng)效率η2=0.98；滾珠絲桿的傳動(dòng)效率η3=0.9，則其此部分的機(jī)械ηa2=η2*η3=0.98×0.9=0.882，電機(jī)到滾動(dòng)絲桿的傳動(dòng)比為1。

m3=0.3kg，滑動(dòng)面的摩擦系數(shù)為μ=0.05，預(yù)壓螺母的內(nèi)部摩擦系數(shù)μ0=0.3，滾珠絲桿的軸徑DB=8mm，滾珠絲桿的全長(zhǎng)LB=250mm，滾珠絲桿的導(dǎo)程PB=8mm，要求分辨率?l=0.04mm/step(每一個(gè)脈沖的移動(dòng)量)，移動(dòng)量l=180mm。

則，必要分辨率θs為：

式中：?l—分辨率；PB—滾珠絲桿的導(dǎo)程。

取定位時(shí)間 t0=2s，加減速時(shí)間 t1=0.25*t_0=0.25*2=0.5s。

運(yùn)行脈沖頻率f2為：

根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算運(yùn)行速度NM為：

根據(jù)汽車模型與工作臺(tái)的總質(zhì)量可計(jì)算運(yùn)行方向負(fù)載F為：

式中：m3—汽車模型與工作臺(tái)的總質(zhì)量；g—重力加速度。

可以得出預(yù)負(fù)載F0為：

根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL：

式中：F—方向負(fù)載；PB—滾珠絲桿的導(dǎo)程；μ0—預(yù)壓螺母的內(nèi)部摩擦系數(shù)；F0—預(yù)負(fù)載；ηa2—此部分的機(jī)械傳動(dòng)總效率。計(jì)算得出TL=0.0046N.m。

根據(jù)滾珠絲桿的長(zhǎng)度以及直徑可以計(jì)算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JB為：

式中：ρ—絲桿的材料密度；LB滾珠絲桿的全長(zhǎng)；DB滾珠絲桿的軸徑。計(jì)算得到

工作臺(tái)與汽車模型的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JT為：

則，負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

可計(jì)算加速轉(zhuǎn)矩Ta為：

設(shè)安全系數(shù)Sf=2，計(jì)算必要轉(zhuǎn)矩Td2如下：

初選雷賽42HS02A兩相步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為2.3×10-6kg.m2，力矩為 0.16N.m，則必要轉(zhuǎn)矩為 TM=0.03N.m。

因運(yùn)行速度與必要轉(zhuǎn)矩表示的運(yùn)行領(lǐng)域在轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩特性的最大同步轉(zhuǎn)矩以內(nèi)，因此可使用。

根據(jù)以上計(jì)算，最終選擇型號(hào)為雷賽42HS02A（1.8° 1.5A）的兩相步進(jìn)電機(jī)。

考慮到該電機(jī)頻繁動(dòng)作，需要選擇運(yùn)行平穩(wěn)可靠的驅(qū)動(dòng)器，因此選擇與該電機(jī)配套的高性能驅(qū)動(dòng)器DM542。

3 結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)，大多數(shù)現(xiàn)有小區(qū)面積規(guī)劃比較局限，無(wú)法安裝大型立體車庫(kù)，此回轉(zhuǎn)升降式立體車庫(kù)體積適中，占地面積較小，并省去尋車通道，車位可擴(kuò)展，安裝簡(jiǎn)單，安全性高，能夠符合大多數(shù)小區(qū)使用，能有效解決現(xiàn)有小區(qū)停車難的問題?；剞D(zhuǎn)升降式立體車庫(kù)不僅可以應(yīng)用于小區(qū)，也可以應(yīng)用于馬路邊、商場(chǎng)、景區(qū)，解決馬路邊等區(qū)域停車難的問題，有效地解決其因停車位不足而導(dǎo)致塞車的現(xiàn)象。