回转升降式立体车库模型的扭矩分析

劳振鹏 东莞理工学院 机械工程学院 黄市生 黎梓恒 曾志彬 吴国洪 东莞市横沥模具科技产业发展有限公司 罗鸿彬 东莞市朝茗机电科技有限公司

前言：针对现有小区停车面积较小、路况细长的问题为研究对象，车库采用了创新的回转升降式机构，以及采用了创新的梳状停车搬运系统，有效提高搬运效率和停车效率，能够符合大多数小区使用，能有效解决现有小区停车难问题。本文将此回转升降式立体车库按1：24缩小为模型，针对回转升降式立体车库模型的机电传动系统工作时产生的动态载荷，回转搬运小车时所产生的扭矩，增加了电机负载计算的复杂性，同时也需要保证小车在运行过程中稳定，由此，在回转升降式机构、梳状停车搬运系统中选择合适的电机尤为重要。本文将对回转升降式立体车库模型进行扭矩分析。

1 结构概述

本文所设计的回转升降式立体车库的机构部分由铝型材框架、回转升降台、横向搬运器、梳状停车台、动力系统构成。本文所设计的回转升降式立体车库模型的控制系统均由STM32单片机系统控制。回转升降式立体车库模型的结构在设计时需要考虑电机的尺寸，为保证小车运行的稳定性，因而回转升降式立体车库模型扭矩分析时要综合考虑电机的外形尺寸和本体结构的相互影响。如果采用试算和经验的方法往往会选择过大的电机，或者是扭矩不足，致使该回转升降式立体车库模型体积过大或者动力不足而影响车库的性能和外观。

2 软件系统搭建

本文设计的回转升降式立体车库模型中的回转升降机构需要两个步进电机驱动，使得小车停在停车板后能实现回转和升降。

2.1 第一步进电机的选型计算

本文中所设计的第一步进电机通过同步带连接到回转升降台，带动回转升降台的转动。取轴承座的传动效率η1=0.99；同步带的传动效率η2=0.98，则其此部分的机械传动总效率为ηa1=η1*η2=0.99*0.98=0.97。

已知传动过程中所需转过的角度为90°，所需时间约为t=4s，则角速度为：

已知此同步带轮外径直径为D1=12.42mm，则第一步进电机的输出功率为：

式中：m1—模型小车的重量0.2kg；m2—回转升降台的重量0.3kg；g—重力加速度；D1—同步带轮外径直径；ω—角速度；ηa1—此部分机械传动总效率。

因此，可以求得第一步进电机的输出功率为Pd1=0.0075W，转矩为 Td1=0.12N.m

代入以上数据计算，得Pd1=0.0075W，ω=0.0625rad/s，Td1=0.12N.m。根据以上计算，最终选择型号为42BYG250A-0151（1.8°1.5A）的步进电机。

由于本文选取第一步进电机的同步带轮直径相同，减速比为1，无需选取减速机。

考虑到该电机频繁动作，需要选择运行平稳可靠的驱动器，因此选择与该电机配套的高性能驱动器DM542。

2.2 第二步进电机的选型计算

本文中所设计的第二步进电机通过同步带连接到滚珠丝杆，带动汽车模型以及工作台一起升降。取同步带的传动效率η2=0.98；滚珠丝杆的传动效率η3=0.9，则其此部分的机械ηa2=η2*η3=0.98×0.9=0.882，电机到滚动丝杆的传动比为1。

m3=0.3kg，滑动面的摩擦系数为μ=0.05，预压螺母的内部摩擦系数μ0=0.3，滚珠丝杆的轴径DB=8mm，滚珠丝杆的全长LB=250mm，滚珠丝杆的导程PB=8mm，要求分辨率∆l=0.04mm/step(每一个脉冲的移动量)，移动量l=180mm。

则，必要分辨率θs为：

式中：∆l—分辨率；PB—滚珠丝杆的导程。

取定位时间 t0=2s，加减速时间 t1=0.25*t_0=0.25*2=0.5s。

运行脉冲频率f2为：

根据以上参数计算运行速度NM为：

根据汽车模型与工作台的总质量可计算运行方向负载F为：

式中：m3—汽车模型与工作台的总质量；g—重力加速度。

可以得出预负载F0为：

根据以上参数计算负载转矩TL：

式中：F—方向负载；PB—滚珠丝杆的导程；μ0—预压螺母的内部摩擦系数；F0—预负载；ηa2—此部分的机械传动总效率。计算得出TL=0.0046N.m。

根据滚珠丝杆的长度以及直径可以计算其转动惯量JB为：

式中：ρ—丝杆的材料密度；LB滚珠丝杆的全长；DB滚珠丝杆的轴径。计算得到

工作台与汽车模型的转动惯量JT为：

则，负载的转动惯量为：

可计算加速转矩Ta为：

设安全系数Sf=2，计算必要转矩Td2如下：

初选雷赛42HS02A两相步进电机，转动惯量为2.3×10-6kg.m2，力矩为 0.16N.m，则必要转矩为 TM=0.03N.m。

因运行速度与必要转矩表示的运行领域在转速一转矩特性的最大同步转矩以内，因此可使用。

根据以上计算，最终选择型号为雷赛42HS02A（1.8° 1.5A）的两相步进电机。

考虑到该电机频繁动作，需要选择运行平稳可靠的驱动器，因此选择与该电机配套的高性能驱动器DM542。

3 结束语

在我国，大多数现有小区面积规划比较局限，无法安装大型立体车库，此回转升降式立体车库体积适中，占地面积较小，并省去寻车通道，车位可扩展，安装简单，安全性高，能够符合大多数小区使用，能有效解决现有小区停车难的问题。回转升降式立体车库不仅可以应用于小区，也可以应用于马路边、商场、景区，解决马路边等区域停车难的问题，有效地解决其因停车位不足而导致塞车的现象。