立体车库升降传输装置的设计

夏雨时，丁 颂，孙立巍，尚青鹏，张永伟

（长春师范大学工程学院，吉林长春 130032）

0 引言

随着互联网时代的到来和科技不断进步，汽车行业得到飞速发展，停车难的问题也随之而来。在老旧小区以及城市生活中，机动车乱停放的现象普遍存在，因此立体车库得到了应用和推广。目前市面上的车库大多需要人工管理，且存取车效率低。为此，需设计一种高效率存取车的立体车库。通过对立体车库的研究，基于慧鱼模型设计了一种升降传输装置。该装置通过程序控制齿轮齿条、丝杠螺母机构的运动，达到高效存取车的目的。

1 升降传输装置设计

升降传输装置由连接块、光杠、齿轮、步进电机、承载板、丝杠和螺母组成（图1）。光杠设计增加了装置的稳定性，将丝杠固定在光杠之间可节省空间，增加空间利用率。承载板由连接块固定，螺母通过连接块的中心位置与丝杠相连。步进电机通过齿轮的啮合将动力传递给丝杠螺母传动机构。当有车辆需要停放时，车辆承载板移至下层，车辆在丝杠螺母传动机构的作用下上升至上层，实现存车目的。

图1 升降传输装置

对整个升降传输装置进行受力分析。在整个装置中，受力的构件分别为丝杠、螺母、承载板、外力为车辆的自重。升降传输装置分为A，B，C 3个传输装置。3个装置中，丝杠与螺母之间的摩擦力为f，承载板受到3个装置的推力分别为FN1，FN2，FN3、自重为G1，支持力为FN、车辆的自重为G2。3个装置的受力相同，以A装置进行受力分析。

承载板上升时，向上的驱动力F=FN+FN1-f-G1-G2。取动摩擦系数为 μ=0.4。为使其受力平衡，FN≥G1+G2，FN1＞μFN1，由牛顿第二定律可得 FN+FN1-f-G1-G2=ma＞0，即 a＞0（a为加速度），承载板向上做匀加速直线运动。承载板下降时，向下的驱动力F=G1+G2-FN-FN1-fG1+G2-FN-FN1-f=ma＜0，即 a＜0。承载板向下做匀减速直线运动。

在车辆承载板材料的选择方面，需要对升降传输装置及承载板进行总体强度校核。整个升降传输装置和承载板构成的整体可近似的看成悬臂梁结构。现将小型轿车的自重等效为均布载荷q，升降传输装置等效为固定端，承载板等效为悬臂梁，悬臂梁与固定端的连接处记为A。由分析可知，悬臂梁的固定端约束了端截面的移动和转动，所以有铅垂方向约束力FA和约束力偶MA。由平衡方程∑Fy=0和∑MA=0可得，FA=ql，MA=ql2/2。等效后的剪力图如图2所示，等效后的弯矩图见图3。

小型轿车自重力约1.2×107N，承载板的面积A=5 m2。钢材的许用应力[σ]=10 MPa。则承载板的应力σ=FN/A=2.4 MPa＜10 MPa。

由上述分析可知，承载板的强度符合设计要求，材料为钢材。

图2 等效后剪力

图3 等效后弯矩

2 基于慧鱼模型的车库传动机构设计

基于慧鱼模型设计了齿轮齿条传动机构和丝杠螺母传动机构。齿轮齿条传动机构由导轨、齿条、支撑块、固定支撑组成，齿条、支撑块、固定支撑可由慧鱼零件搭接（图4）。在整个传动机构中电机起着传递动力的作用。现对齿轮齿条传输电机进行选择。

根据测得的数据可知，车库底层和顶层的高度h=0.3 m。车位由底层上升至顶层所用的时间约为6 s。则齿条升降速度v1=h/t=0.05 m/s。

图4 齿轮齿条传动机构

车位在下降时，齿轮齿条传动机构所受的力分别为承载板和汽车的自重，齿条与导轨间的摩擦力。测得承载板与模拟汽车的重量为3 kg。取动摩擦因数μ=0.4。则升降传输电机的功率P1=Fv1=（G-f），v=0.9 kW。

根据以上分析，选择型号为28BYJ-12 V的步进电机作为齿轮齿条传动机构的传输电机。该电机的最大输出功率为1.5 kW，最大转速为7689 r/min。

丝杠螺母传动机构主要由连接块、光杆、丝杠以及螺母组成。丝杠螺母传动机构的动力由传输电机提供，现对丝杠螺母传输电机进行选择（图1）。

测得丝杠转过的路程s=0.34 m。车位由底层上升至顶层所用时间约8 s。则丝杠旋转速度v2=s/t=0.042 5 m/s。

承载板与模拟汽车的重量为3 kg。取动摩擦因数μ=0.4。丝杠与螺母之间的摩擦力记为f。则用于丝杠螺母传动系统的电机的功率P2=fv2=0.51 kW。

通过计算可知：选择9 V的步进电机作为丝杠螺母传动机构的传输电机。该电机的最大输出功率为0.9 kW。最大转速为5665 r/min。且具有正反转功能，故满足设计要求。

现对基于慧鱼模型设计的2种机械传动机构进行实验，具体结果如表1所示。

表1 2种传动方案对比实验

通过实验对比齿轮齿条和丝杠螺母传动机构。丝杠螺母机构具有自锁功能，防止电机停转或突然断电给整个系统带来安全隐患。因此，选择丝杠螺母机构作为升降传输装置的传动机构。

3 车库升降传输装置控制系统的设计

图5 程序控制流程

升降传输装置控制系统包括对车位的竖直与水平运动的控制，利用ROBO Pro编程软件编写程序。M1，M2和M3为升降传输装置所用的电机，I1为程序总开关，I2，I3和I4分别为3号、4号、5号车位的控制开关。以存车为例。车主将车停在承载板上，按下总开关I1，程序开始启动。按下3号车位开关I2，M2电机开始正转，大约5 s后M2电机停转，车位上升至指定位置，存车完成。取车时，车主按下3号车位开关I2，M2电机反转，经过5 s后车位下降至地面，完成取车过程。通过延时程序控制M2电机正转，车位上升至指定位置，为下层车位留出空间，方便下一辆车的停放。具体程序控制流程如图5所示。

4 结语

针对目前车库存取车效率低、稳定性差等问题，基于慧鱼模型设计了一种立体车库升降传输装置。该装置主要由丝杠螺母、承载板和步进电机组成，通过丝杠螺母传动机构的运动来进行车位的升降，通过程序控制电机的转速达到高效率存取车的目的。同时融合了机电一体化技术。该升降传输装置应用广泛，对未来立体车库的建设具有理论意义。