回轉(zhuǎn)升降式立體車庫模型的扭矩分析

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

前言：針對現(xiàn)有小區(qū)停車面積較小、路況細長的問題為研究對象，車庫采用了創(chuàng)新的回轉(zhuǎn)升降式機構(gòu)，以及采用了創(chuàng)新的梳狀停車搬運系統(tǒng)，有效提高搬運效率和停車效率，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)升降式立體車庫按1：24縮小為模型，針對回轉(zhuǎn)升降式立體車庫模型的機電傳動系統(tǒng)工作時產(chǎn)生的動態(tài)載荷，回轉(zhuǎn)搬運小車時所產(chǎn)生的扭矩，增加了電機負載計算的復(fù)雜性，同時也需要保證小車在運行過程中穩(wěn)定，由此，在回轉(zhuǎn)升降式機構(gòu)、梳狀停車搬運系統(tǒng)中選擇合適的電機尤為重要。本文將對回轉(zhuǎn)升降式立體車庫模型進行扭矩分析。

1 結(jié)構(gòu)概述

本文所設(shè)計的回轉(zhuǎn)升降式立體車庫的機構(gòu)部分由鋁型材框架、回轉(zhuǎn)升降臺、橫向搬運器、梳狀停車臺、動力系統(tǒng)構(gòu)成。本文所設(shè)計的回轉(zhuǎn)升降式立體車庫模型的控制系統(tǒng)均由STM32單片機系統(tǒng)控制。回轉(zhuǎn)升降式立體車庫模型的結(jié)構(gòu)在設(shè)計時需要考慮電機的尺寸，為保證小車運行的穩(wěn)定性，因而回轉(zhuǎn)升降式立體車庫模型扭矩分析時要綜合考慮電機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)驗的方法往往會選擇過大的電機，或者是扭矩不足，致使該回轉(zhuǎn)升降式立體車庫模型體積過大或者動力不足而影響車庫的性能和外觀。

2 軟件系統(tǒng)搭建

本文設(shè)計的回轉(zhuǎn)升降式立體車庫模型中的回轉(zhuǎn)升降機構(gòu)需要兩個步進電機驅(qū)動，使得小車停在停車板后能實現(xiàn)回轉(zhuǎn)和升降。

2.1 第一步進電機的選型計算

本文中所設(shè)計的第一步進電機通過同步帶連接到回轉(zhuǎn)升降臺，帶動回轉(zhuǎn)升降臺的轉(zhuǎn)動。取軸承座的傳動效率η1=0.99；同步帶的傳動效率η2=0.98，則其此部分的機械傳動總效率為ηa1=η1*η2=0.99*0.98=0.97。

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

已知此同步帶輪外徑直徑為D1=12.42mm，則第一步進電機的輸出功率為：

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—此部分機械傳動總效率。

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

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

由于本文選取第一步進電機的同步帶輪直徑相同，減速比為1，無需選取減速機。

考慮到該電機頻繁動作，需要選擇運行平穩(wěn)可靠的驅(qū)動器，因此選擇與該電機配套的高性能驅(qū)動器DM542。

2.2 第二步進電機的選型計算

本文中所設(shè)計的第二步進電機通過同步帶連接到滾珠絲桿，帶動汽車模型以及工作臺一起升降。取同步帶的傳動效率η2=0.98；滾珠絲桿的傳動效率η3=0.9，則其此部分的機械ηa2=η2*η3=0.98×0.9=0.882，電機到滾動絲桿的傳動比為1。

m3=0.3kg，滑動面的摩擦系數(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LB=250mm，滾珠絲桿的導(dǎo)程PB=8mm，要求分辨率?l=0.04mm/step(每一個脈沖的移動量)，移動量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。

取定位時間 t0=2s，加減速時間 t1=0.25*t_0=0.25*2=0.5s。

運行脈沖頻率f2為：

根據(jù)以上參數(shù)計算運行速度NM為：

根據(jù)汽車模型與工作臺的總質(zhì)量可計算運行方向負載F為：

式中：m3—汽車模型與工作臺的總質(zhì)量；g—重力加速度。

可以得出預(yù)負載F0為：

根據(jù)以上參數(shù)計算負載轉(zhuǎn)矩TL：

式中：F—方向負載；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)負載；ηa2—此部分的機械傳動總效率。計算得出TL=0.0046N.m。

根據(jù)滾珠絲桿的長度以及直徑可以計算其轉(zhuǎn)動慣量JB為：

式中：ρ—絲桿的材料密度；LB滾珠絲桿的全長；DB滾珠絲桿的軸徑。計算得到

工作臺與汽車模型的轉(zhuǎn)動慣量JT為：

則，負載的轉(zhuǎn)動慣量為：

可計算加速轉(zhuǎn)矩Ta為：

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

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

因運行速度與必要轉(zhuǎn)矩表示的運行領(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)以上計算，最終選擇型號為雷賽42HS02A（1.8° 1.5A）的兩相步進電機。

考慮到該電機頻繁動作，需要選擇運行平穩(wěn)可靠的驅(qū)動器，因此選擇與該電機配套的高性能驅(qū)動器DM542。

3 結(jié)束語

在我國，大多數(shù)現(xiàn)有小區(qū)面積規(guī)劃比較局限，無法安裝大型立體車庫，此回轉(zhuǎn)升降式立體車庫體積適中，占地面積較小，并省去尋車通道，車位可擴展，安裝簡單，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。回轉(zhuǎn)升降式立體車庫不僅可以應(yīng)用于小區(qū)，也可以應(yīng)用于馬路邊、商場、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。