私家車庫門機械和控制系統(tǒng)設計

第１章緒論1.1研究目的及意義我們現(xiàn)在所處的時代，是一個經(jīng)濟水平和科技發(fā)展迅速的時代，在科技不斷進步的影響下，人們所能接觸到的幾乎所有事物都呈現(xiàn)出簡單化、智能化的趨勢，隨著人民群眾生活水平的提高，人們對于商品的實用性和購買力也在不斷提升[1]。在現(xiàn)代社會，汽車已經(jīng)逐漸滲透到各個階層的人群中，汽車的數(shù)量也在不斷地增長，汽車已經(jīng)成為普通家庭能夠負擔得起和經(jīng)常使用的交通工具[2]。但是，隨著人們出行的便利，汽車如何安全停放，如何提高出行效率等問題一直是困擾人們的難題。隨著人們對私家車庫門的智能化程度越來越高，但是私家車庫門只具備了基本的開關和安全效果，在實際使用過程中，仍然存在著操作上和安全性能等其他方面的缺陷[3]。從提升總體性能入手，對其進行了設計和改造，除了可以利用遙控器對車庫門進行直接的操控外，還可以利用傳感器將信號傳輸?shù)诫姍C，從而達到門扇的自動切換，并且還具有報警裝置等輔助功能，無論是安全性還是性能都要優(yōu)于一般的車庫門。因此，這種車庫門的設計，在為人們的出行、倉儲提供方便的同時，也更好地保護了人們的人身和財產的安全。由此可以看到，具有以上這些性能的私家汽車庫門，在當前的市場中，與其他類似的產品相比，具有很大的優(yōu)越性，具有很強的競爭能力，而且因為其具有多元化的智能性，所以它的發(fā)展?jié)摿σ埠艽?。本課題針對私家車庫，設計一款私家車庫門機械和控制系統(tǒng)，該設計將大大提高人們出行的時間效率以及出行的安全性。1.2研究現(xiàn)狀與展望就其構造而言，當前市面上普遍使用的汽車車庫門，大致可分為三大類[4]。而在我國，則以滾筒式為主。卷簾門不但在家庭停車場得到了廣泛的使用，在工業(yè)廠房的大門上也得到了大量的使用。卷簾門的優(yōu)勢在于其構造緊湊，在門道過大或門身不適合在地上的場合，通常都可以達到需求，而且其構造相對簡單，動作也相對容易。而上滑道型車庫門，是由設置在一條固定的軌道上的滾子，驅動由多個門板互相構成的門扇，并由上升的轉動來實現(xiàn)門扇的開啟和關閉。在國外，比較常用的是翻板型，是用一塊門板被一條橫向導軌推著向上移動，來打開車門。在打開方法方面，還可以發(fā)展成各種類型的單片門，例如無需導軌，只由樞轉機構、多桿結構驅動門板向上翻轉的翻板門?，F(xiàn)在市場上也大多使用的是通過彎曲的軌道來推動打開的分段的單板門[5]。從遙控的方法來看，這三類車庫的大門有遙控的，電動的，手動的[6]。在這些類型中，遠程控制的、感應控制的和電動控制的都可以被稱為“自動車庫門”[7]。采用電動馬達帶動門鎖，實現(xiàn)了對門鎖的控制。智能車庫門：除了基礎的功能外，還可以增加照明、報警等輔助功能。使用自鎖式蝸輪蝸桿減速器及后備供電機構，能有效預防停電及其它突發(fā)事件發(fā)生，不僅能確保車庫大門運行穩(wěn)定，而且能保護使用者財及物的人身安全；使用該紅外線傳感器的汽車車庫大門，不僅可以省去遙控控制，而且可以在特定的汽車出入感測區(qū)域進行自動開啟和關閉[8]。第2章總體方案的分析與確定2.1概述首先，簡單地介紹一下翻板型私家車庫門的機構構造，在提升機構上，無需滑道引導，降低了滑動過程中的摩擦，降低了噪音，提升更加平穩(wěn)。該系統(tǒng)采用動力傳動機構，通過傳動機構的動力，使門板轉動，使其在某一或幾個位置處轉動，來實現(xiàn)對汽車庫門的開啟和關閉。因此，拉鏈式升降機構的設計對于汽車車門是否能夠打開有著很大的影響。同時，參照私家車庫門行業(yè)標準，翻板式車庫門對門扇完全展開時的提升高度和距離門孔頂端的高度都有一定的規(guī)定，對門扇突出私家車庫的長度也有一定的規(guī)定，從驅動形式上看，可以選擇皮帶驅動和鏈條驅動兩種驅動形式，并通過對其進行了分析和對比。為保證自卸式車門運轉的平穩(wěn)性，應在車門起動及即將停下時加裝減速裝置，以改善車門的平穩(wěn)性。同時，在使用私家車庫門時，應保證在出現(xiàn)緊急狀況時，如突然停電，該結構仍然能夠進行提升與下落操作或進行自鎖操作，以保證用戶的人身和財產安全。采用自動控制技術是使汽車車門智能化的最佳途徑。在該設計中，可以使用紅外避障傳感器，在車輛進入或駛出檢測范圍之后，它會將脈沖信號傳送到控制中心，然后把脈沖信號轉化為數(shù)字信號，再被控制中心接收，然后，控制中心會對這些信號進行分析，然后作出判斷，再把對應的控制信號發(fā)送到電機，電機在接收到信號之后，就會啟動工作，再利用傳動系統(tǒng)把力傳到提升結構上，這樣就可以實現(xiàn)對私家車庫門的切換。也可以用遙控器，對停車場的門進行遙控。通過以上的分析可以看出，遙控距離的極限要求可以被控制在30m之內，門的打開時間可以被控制在8-15秒，而關于私家車庫門的其它一些基本的參數(shù)，可以參考私家車庫門的行業(yè)標準，得到如下的一些基本參數(shù)：（1）私家車庫門的開關速度：0.1～0.3m/s（2）門板重量：20-30kg（3）運轉噪音：20-30kg（4）私家車庫門門板高/寬/厚度：2400～2500mm/3000mm/50～100mm（5）手動啟閉時所需的力：<50-70N[9]。2.2提升機構的分析與確定通過對私家車庫門的研究，得出了翻板式車庫門具有結構簡單、平衡好、隔音防塵等優(yōu)點，而且在當前的市場中具有較大的競爭力，因此更適用于私人的車庫門。該翻板型車庫門采用升降鏈，使其從豎立的門板上升至近似于橫立的水平位置，實現(xiàn)了對庫門的開啟和關閉。在保證機械性能的前提下，設計出一條滿足機械性能的曲線，并盡可能地滿足機械性能的要求?；谶@一點，還應該確保對結構的其它一些基本參數(shù)的需求，可以參考私家車庫門行業(yè)標準，得到如下的基本數(shù)據(jù)：（1）私家車庫門開關速度：0.1～0.3m/s（2）門板重量：20-30kg（3）運轉噪音：<50分貝（4）私家車庫門門板高/寬/厚度：2400～2500mm/3000mm/50～100mm（5）手動啟閉時所需的力：<50～70N。（A）（B）（C）圖2.1提升機構的方案A種方案：將電動機的作用力作用于鉸接點，將連桿分別連接到車門的兩個點上。通過在鉸鏈上施加一個逆時針方向的扭力，庫門就會順時針方向的翻轉來完成開關。B種方案：電動機的作用力作用于門板上的鉸接點上，并將逆時針方向的扭力作用于鉸接點上，使門板向內逆時針方向翻轉，從而完成開關動作。C種方案：馬達所產生的動力只會在門的頂部產生，而不會在合葉上產生任何動力。馬達對門框施加橫向作用力，推動二根杠桿，將門沿順時針方向旋轉，從而實現(xiàn)了庫門的開啟和關閉[10]。通過比較，A和B兩種設計都是通過對鉸鏈進行扭轉，使其構造十分簡單；其中，B方案在提升過程中，鉸接點所受的力隨著庫門提升而越來越大，導致了很大的不穩(wěn)定，平衡性能差，并且在提升過程中，門板會對車庫內部空間產生積壓。A型方案優(yōu)于B型，但因其僅依靠單一的支撐點，使支撐點的應力更集中，且不能保持足夠的穩(wěn)定性，故存在一定的缺陷。因此，僅僅依賴于固定鉸接點，并通過轉動來實現(xiàn)整體運動的結構方案，盡管結構簡單，但通常都會出現(xiàn)受力集中、平衡性欠佳、門體運動軌跡大、空間占用較大等問題。C方案不再向鉸鏈點施力，而向門頭施加橫向作用力，使得兩個操縱桿沿順時針方向轉動，實現(xiàn)了庫門的閉合，其穩(wěn)定性優(yōu)于A、B兩種方法，并在該方法的基礎上，引入橫向導向及滑動機構，通過驅動方式推動門頭提升，大大增加了庫門的運行穩(wěn)定性?？偨Y：在當前所制定的這幾種方案中，單純地依賴于固定鉸接點，利用旋轉來實現(xiàn)整個運動的結構方案，雖然其構造很簡單，但總體上都會出現(xiàn)一些問題。如：受力集中、平衡性差、門體運動軌跡大等。而豎向/橫向導軌與兩個固定關節(jié)相匹配以實現(xiàn)整個動作的結構方案，通常要優(yōu)于第一種方案，經(jīng)過深入的研究和對比，認為水平導軌與兩個固定關節(jié)相匹配的鉸鏈雙曲柄機構方案更為合理，所以選用了C種方案。2.3傳動機構的分析與選用電機在輸出轉矩轉化為拉動門板翻轉提升力的中間部件統(tǒng)稱為傳動機構[11]，其中包括減速和傳動兩部分，減速安放在電機與工作機之間作減速之用，電機經(jīng)減速后相應地增大了轉矩，使其滿足提升門板的要求，減速器有如下幾種。表2.1減速器的類型除了以上類型以外，還有行星輪系減速器，其傳動效率高，但結構復雜，制造精度要求高，就暫不選用。用一條橫軌，將大門從內側墻壁上拉下來?？赏ㄟ^設計圖的分析，得出在庫門和墻面上兩個位置的正確取舍是可以達到其作用的。當前還應注意的問題是，在移動時，車門的抬升速率和移動的范圍，導軌和滑塊使用鏈條驅動，四個點的位置可以由繪圖方法求出。遙控車庫門系統(tǒng)對驅動提升機構的效能沒有很高的需求，根據(jù)車庫門的工業(yè)標準，與其它種類的車庫門比較，翻板式車庫門門板的提升速度比較緩慢，一般在0.1～0.3m/s，提升時間一般為8-15秒。家庭式車庫門依有關工業(yè)規(guī)范，一般寬3米，高2.4～2.5米，其厚度亦因材質而異。由于所用材質的差異，所以在重量上也有細微的差別。本文中，設計一種鋁合金殼，內為隔熱材料的輕質車庫門，其質輕、隔熱效果好，但其存在著安全隱患，可以考慮采用高韌性材料對門板進行加強。經(jīng)過對市場的調查，當前市場上流通的車庫門開門機的動力通常都不會大于200W，并且機械的運轉頻率也非常的低，所以，在使用壽命上，庫門結構自身可以維持很久。此外，只有車庫門具有安全性，在突發(fā)狀況下應該具有更大的應變力，而不是普通的車庫門。例如，在開啟車庫門時，若發(fā)生突發(fā)停電，則需有保險措施將門保持在原地，或不斷向上翻轉，以避免門板掉落，傷及下方的人和物。因此，可以考慮使用后備電池，或是選用具有自我鎖定功能的減速裝置。然而，電池屬于一次性產品，如果長期斷電，電量耗盡，還是有很大的隱患。而當蝸輪減速器的導程角處于一定的范圍之內時，它自身就具備了自鎖功能，因此它的工作非常穩(wěn)定，在進行門切換的時候，它可以發(fā)揮出很好的減速效果，同時還可以增強它的穩(wěn)定性，與現(xiàn)在對緊急狀況的需求相吻合。因此，本文選取了渦流式減速機為主要的減速機。翻板式車庫門的整體結構在電機啟動后，轉矩由傳動帶轉化成拉力，牽引滑塊向右移動，滑塊與拉桿相連，拉桿牽引門板向上翻轉提升，實現(xiàn)了車庫門的開關。作為連接電機與桿件的核心部件，其好壞直接影響著電機的功率能否向桿件傳輸，也影響著電機的傳輸效率與速率。在傳動裝置的選取上，常用到鏈傳動、帶傳動、平帶傳動、同步帶傳動、齒輪傳動等，其中齒輪傳動對工作條件要求較高，需有箱體保護，不適用于私人車輛。表2.2帶傳動和鏈傳動的各項性能參數(shù)的分析比較從上表中我們可以看到，帶傳動雖然相對于鏈條傳動，在許多方面具有顯著的優(yōu)點，但一般來說，在工作過程中，會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。在私人車庫門的使用中，對門板的吊裝要求非常高，為確保人、車的安全性，在任意條件下，都不能出現(xiàn)不可控制的下墜，一旦皮帶出現(xiàn)滑動，將造成非常大的損失，因此，采用鏈條傳動來吊裝門板。2.4控制系統(tǒng)的方案分析與選用汽車車庫車門是汽車車庫的一個重要組成部分，其自動控制系統(tǒng)是汽車車庫車門的一個重要組成部分。首先利用紅外線感應器，在汽車駛入感應器的探測距離時，感應器就會發(fā)送信號給控制中心，然后給馬達一個命令，馬達就會向前轉動，打開車門，而在汽車駛入停車場時，紅外線感應器就會感應到，馬達就會反向轉動，把車門給關上。此外，還可以讓紅外傳感器具備額外的功能，比如：對信號進行識別，對距離庫門過近的疑似車輛進行警告，或者在庫門關閉時對于突然進入的物體進行緊急制動等，如圖2.2所示，對控制系統(tǒng)的總體結構進行了描述。圖2.2控制系統(tǒng)的整體結構2.4.1電源的選用本私家車庫門的設計是以普通住宅區(qū)私家車庫門為目標，所以在電源的選擇使用標準電源220V,50Hz。2.4.2驅動執(zhí)行元件的選用從生產和使用成本方面看，若采用液壓氣動元件作為此系統(tǒng)的驅動裝置，其價格比其它選擇要便宜得多，且不易維修。因其用途廣泛，且成本低廉，故選用其來為私人倉庫車門的抬升力提供動力。從方便調速及正逆轉控制等角度來看，由于直流馬達具有良好的啟動性能和調速性能，因此，將其作為私家車庫門驅動裝置。在控制模塊的選擇時，應以簡單實用的原則，通過數(shù)字門電路，來進行實現(xiàn)對車庫門的控制。第3章提升與傳動機構的設計與研究3.1系統(tǒng)的設計依據(jù)對提升裝置及傳輸裝置進行了詳細的分析與設計，這是確保提升裝置能夠順利運行的前提。在進行該裝置的設計時，要在保證其基本功能要求的情況下，盡量使其機構簡單、控制、運行方便、造價低廉、性價比高。在開發(fā)之前，對該設備的運行情況及各種性能參數(shù)進行了調研，為該設備的開發(fā)奠定了基礎。以下的表3.1中給出了某些需要考慮的因素。表3.1部分設計指標針對每個過程中所使用的零部件的設計，從普適性的觀點出發(fā)，盡可能地選用統(tǒng)一的零部件參數(shù)，從而減少了設計的困難和費用，僅當一般的標準件無法達到設計需求時，才會針對特定需求的零部件進行設計。3.2提升部件的設計3.2.1連桿結構的設計翻板式車庫門與卷簾式車庫門的區(qū)別就是，翻板式私人車庫門沒有滑道，門板是一個整體，它是一個整體，它是用兩頭墻體固定并對稱鉸接點上的連桿結構來支撐的，其中的力是用鏈傳動系統(tǒng)傳送到連桿提升結構，從而推動門板向上翻起的。這類機械能否平穩(wěn)、穩(wěn)定地運轉，其核心就是要保證其能夠在第一時間內達到動作要求。首先，為了確保車門可以被正確地開啟，車門上的把手必須被限制在某個范圍內。為了不占用室內空間，應將私家車庫門提升到適當?shù)母叨龋⒃谧罡咛幨归T板與頂面之間留有一定的間距，參照《汽車車庫門》，確定了庫門突出戶外的長度。本節(jié)的重點是從結構簡單，運轉軌跡順暢這一方面入手，對連桿機構的各點位置以及各桿長度進行了計算，并根據(jù)私家車庫門的工業(yè)標準以及運動要求，建立函數(shù)約束，對整個機構進行了最優(yōu)的設計與計算。圖3.1庫門閉合時簡圖在翻板型的汽車倉庫大門中，使用了兩個鉸接的曲軸傳動裝置，見圖3.1。在該圖中，在關閉狀態(tài)下，門與連接件的位置為實線，在開啟狀態(tài)下，門與連接件的位置為虛線。在打開狀態(tài)下，車門的高度取決于連接裝置中每個桿件的長度和每個頂點之間的空間距離。若能對此進行適當?shù)脑O計，則可使門的移動更為方便、順暢，并可使其與門的上緣及門的外緣相對較小、門的外緣相對較小。汽車車庫門的打開與關閉，其動力通過傳動機構傳輸至電梯機構，通過電梯機構實現(xiàn)。傳動結構通過控制滑塊驅動連桿結構牽引門扇上方的鉸接點，使得門板沿A,B為圓周向上翻動，這時要讓門能夠正常開啟，就必須要約束各桿長度。在此進行數(shù)學模型的創(chuàng)建：1.舉升機構各桿件長度之和：f1(X)=其中：112.門的開啟高度為保證門在打開時具有充分的高度，并且不會占據(jù)室內的空間，在全部打開時，應該將門板與門孔頂端的距離S保持在一個確定的數(shù)值之內。l1、l2、l3、l4在垂直方向的投影關系為：?l1、l2、l3、l4在水平方向的投影關系為：u通過消去化簡，整理后得：A.l式中：A=4B=4?C=1依幾何關系，門體距門洞上邊沿的距離為：f2(X)=S=門體伸出門洞外的長度L：f優(yōu)化設計：然后，根據(jù)制造和結構的要求，確定了相應的約束條件。（1)考慮車門厚度和鉸鏈軸半徑60≤h1≤80（2）為防止杠桿BD與鉸接軸C(150～h2=h4～240）間的干涉，（3）為避免樞軸A和樞軸B的支撐盤被設計成大于100-260，（4）v1（或v2）大于0（或v1）大于0（或v2)，按照私人車輛門的工業(yè)標準及實際工作條件的需要，當門扇完全開啟時，其與門孔頂端的距離S不大于總門高的十分之一，本設計中，其長度為2500mm，從門孔外突出的長度L不大于總門高的二分之一，即1250mm，將以上參數(shù)轉換為函數(shù)約束表達式：g1(X)=l3+l4-l1-l2≥0g2(X)=h1-100≥0g3(X)=160-h1≥0g4(X)=h2-90≥0g5(X)=180-h2≥0g6(X)=v4-100≥0g7(X)=260-v4≥0g8(X)=v1≥0g9(X)=v2≥0g10(X)=h3-h2≥0g11(X)=250-f2(X)≥0g12(X)=v3/2-f3(X)≥0圖3.2優(yōu)化算法的程序框圖優(yōu)化設計數(shù)學模型如下:X=[l1，l2，h1，h2，h3，v1，v2，v4]TminF(X)=[f1(X)，f2(X)，f3(X)]T滿足gu(X)≥0，(u=1，2，…10)得到優(yōu)化后結果如下表3.2表3.2優(yōu)化前后各數(shù)值相較于得出的結果，這種優(yōu)化設計可以使全開狀態(tài)下的門扇與洞頂之間的距離減少39%，從洞口伸出的長度減少3%，連接機構的桿件總長度減少12%，既節(jié)省了材料，又減少了私人車庫的占地面積。3.2.2連桿結構的力學校核該私家車庫門的提升連桿機構的參數(shù)指標如下表3.3表3.3連桿機構的參數(shù)指標指標數(shù)值或內容備注門板質量20-30kg鋁合金庫門門板規(guī)格長3000mm,高2500mm,寬60mm寬和高參考車庫門行業(yè)標準連桿規(guī)格擬采用45鋼，長度視實際情況而定根據(jù)實際情況自定規(guī)格運行速度0.12m/s參考車庫門行業(yè)標準彈簧裝置剛度系數(shù)及自然長度視實際情況而定平衡重力，平穩(wěn)系統(tǒng)1.力學分析該私家車庫門使用的是在頂部安裝一個電機，由電機所產生的力，可以利用鏈傳動帶動頂部滑塊牽引連桿結構來實現(xiàn)開關門的目的，并可以通過確定拉桿受最大拉力點時的拉力來確定轉矩。通過將電動機作用于整個系統(tǒng)的作用力轉化為一個橫向的轉速，使其在不降低總體性能的前提下，使其在整個系統(tǒng)中得到最大的簡化[12]。然而，在系統(tǒng)工作時，最大的摩擦是鉸接點的力矩，與電機作用到連桿系統(tǒng)上的力相比，摩擦要大很多，所以，在本次力學檢查中，摩擦可以被忽略。為方便計算，也可以把轉折點設置在汽車車門上。2.力學計算本文以檢測車庫門的機械特性為研究對象。在此，所述的門的重量是30kg，所述的連桿包括連桿AD和BC，所述連桿與所述墻的對應的AD'和BC'，以及所述連桿FG和GH。設定該提升結構的基礎信息，確定基本單位（mm,N,Kg,S)，連桿結構材料為45鋼結構，默認兩桿規(guī)格為寬40mm，厚20mm，長度由先前的計算得出。接著，確定了私家車庫門門體的基本數(shù)值，私家車庫門的高2500mm、寬3000mm、厚60mm，重量30kg。然后用連桿來聯(lián)結，形成拉桿的結構，然后用導軌的滑動裝置來實現(xiàn)滑板與導向的連結。首先對每一種結構進行了構造，并對其進行了構造，構造了在桿件與基座、在桿件與拉桿以及滑塊件之間構造了轉動對；所述的兩條拉桿，所述的兩條拉桿，所述的兩條拉桿與所述的導軌及所述的地板間均設有所述的固定對；在滑塊與導軌之間設置移動副，并對其上設置水平于X方向驅動，將其速度設置為0.12m/s，并可設置彈簧機構，提高其穩(wěn)定性。在本設計連桿截面規(guī)格：40×20mm抗拉強度：=600Mpa屈服強度：=355Mpa彈性模量:E=210GPa泊松比:0.269［13］安全因數(shù)：n=1.7由此可得到45鋼材料的許用應力[]==208.7Mpa在X，Y，Z方向受力分別為Fcx=-400N，=100N，F(xiàn)Dx=-350N，F(xiàn)Dy=50N，F(xiàn)Cz=412.3N，=353.5N將上述各項數(shù)值按照其在橫、縱斷面上所受的荷載分為：σc=sinσD=sin=sinαF=sinbF通過第三強度理論，由如下公式得出各桿的屈服極限。=≤=[]=208.8Mpa則：σr3c=59.06Mpa≤[]σr3D=45.92Mpa≤[]因此都符合設計強度要求。3.3傳動部件的設計該系統(tǒng)中的傳動裝置可以分為鏈傳動和帶傳動兩種，鏈傳動指的是一種將帶有特定齒形的主動鏈輪，經(jīng)由鏈條將移動和動力傳輸給帶有特定齒形的從動鏈輪的一種傳動形式，而帶傳動指的是一種使用張緊在帶輪上的彈性帶來實現(xiàn)移動或動力傳輸?shù)囊环N機械傳動。這兩種傳動形式根據(jù)各自的特點，在各種機械的動力傳輸中普遍存在。鏈傳動相對于帶傳動，為0.12m/s，最后還可以加入彈簧裝置，以增加其穩(wěn)定性。在本設計中，所有連桿均選用強度高、抗變形能力好的45鋼。1.無彈性滑移，無打滑現(xiàn)象，具有更高的精度2.相對于其它變速器，在相同工作條件下，其變速器尺寸更緊湊3.軸受力小，要求張緊力小4.具有高效率和大功率5.對工作環(huán)境要求不高，能夠保證良好的傳輸性能6.具有較大的傳動距離和較強的過載能力雖然帶傳動也有它的優(yōu)點，但是為了安全性和穩(wěn)傳遞的一種機械傳動。這兩種傳動形式根據(jù)各自的特點，在各種機械的動力傳輸中普遍存在。鏈傳動相對于帶傳動，具有許多優(yōu)點。3.3.1電動機的選用在本傳動系統(tǒng)中，所選用的電機是直流電機，它的基本參數(shù)首先以民用常用電機為參考，取為：220V/50Hz，該電動機轉速n1=2500r/min，額定功率P=120w。3.3.2鏈條的選用與校核首先，將鏈輪的直徑設置為60～100mm，將鏈傳動的速度設置為0.12m/s，那么，鏈輪的旋轉速率為40～80r/分鐘，傳動功率為100w。同時，因為低速、中心距較大，因此，采用大節(jié)距的單列鏈條更能滿足設計需要。選擇了12A型滾子鏈，其中幾種滾子鏈的關鍵技術指標如表3.4所示。在這里，鏈條的轉速很慢，因此鏈條的破壞主要是由于超載引起的斷裂，因此，此類鏈條的靜態(tài)強度安全系數(shù)應符合以下公式：S=式中：鏈排數(shù)：由于該設計采用的是大截距的單排鏈，即取1。工況系數(shù)：無沖擊或很小時可取1.0～1.2，受到中等沖擊時KA可取1.2～1.4，沖擊嚴重時KA取1.4～1.7，此處由于傳動過程中振動沖擊較小，KA鏈的極限拉伸載荷FQ：通過表3.4，F(xiàn)在鏈條傳動的時候，會受到三種不同的拉力的影響，在這個系統(tǒng)中，鏈速為0.12m/s，對輪齒產生的離心力非常小，因而可以將其完全忽視，而當整個傳動系統(tǒng)在一條水平線上時，垂度拉力同樣很小，也可以將其完全忽視，因此，只要將工作拉力進行考量就可以了。所以：表3.4滾子鏈的主要尺寸和極限拉伸載荷鏈號鏈節(jié)距滾子外徑dr內鏈節(jié)內寬b1內鏈節(jié)外寬內鏈板高度單排每米質量極限拉伸載荷mmmmmmmmmmKg/mN10A15.87510.169.4013.8415.091.02180012A19.0511.9112.5717.7518.081.53110016A25.4015.8815.8822.6124.132.655600經(jīng)分析，其靜態(tài)安全性能指標均高于規(guī)范規(guī)定，達到了設計的要求。即便在傳輸時，鏈所受到的拉力突然出現(xiàn)了變化，超出400N，仍滿足要求，即選擇12A型滾子鏈滿足強度要求。3.3.3鏈輪的設計在該方案中，鏈傳動為傳動部件，沒有增減速要求，并且可以選擇相同類型的兩種鏈輪。因為該裝置的傳動速度很慢，所以可以對其進行適當?shù)臏p速器。通常情況下，將齒數(shù)設計成不能被鏈節(jié)數(shù)所整除者的數(shù)，這樣對延長齒輪、鏈條的使用壽命有較大幫助。此時，將鏈輪齒數(shù)Z=13，由上表3.4可以查找到鏈的節(jié)距p=19.05mm，根據(jù)以下的計算，可以得到鏈輪的各個參數(shù)。那么，可以知道鏈條的齒數(shù)Z=13鏈節(jié)距p＝19.05mm那么，鏈輪分度圓的尺寸是：d=psin齒頂圓直徑為：d取整為88mm齒根圓直徑為：d其中：為滾子外徑，查表可取值為≤11.91mm，此處取10mm輪轂最大直徑：＜-1.04h-0.76=57.7mm取整為dg輪轂厚度：h=k++0.01d=4.8++0.01×79.6≈8.5mm其中：=18，k為常數(shù)，通過d取值為4.8。輪轂長度：l=（2.7～3.2）×h=22.95～27.2mm取整為l=24mm輪轂直徑：=+2h=18+17=35mm齒寬：bf取整為bf其中：為內鏈節(jié)內寬，由上表查得=12.57mm齒側倒角、半徑：=p×0.13=19.05×0.13=2.48mm=2.5mm=p=19.05mm考慮到工件在工作中自身的實際情況，采用IT8的公差水平，IT7的軸公差水平，選用的公差帶為H級。3.4減速部件的設計3.4.1蝸桿傳動設計的基本要求在私家車庫門運行過程中，為了提高整體結構的穩(wěn)定性，應在庫門起動和接近終了時增加減速器，以降低轉速和增大扭矩。在減速器的選取上，由于在相同的齒輪比下，蝸輪驅動相對于其它的驅動形式，它的結構緊密，穩(wěn)定性高，噪音很低，振動很低。與此同時，為了讓結構變得更簡潔，由于蝸桿傳動更易于獲得大的單級傳動比，所以可減少傳動副，與多級齒輪傳動等傳動方式比較，它所需的零件更少，在結構上，它的相對尺寸更小，重量也更輕。而且，在單機蝸桿傳動的基礎上，在其導程角值比較低時，可以實現(xiàn)自鎖效果，更符合本設計的安全要求。(1)工況及壽命假定蝸輪結構的工作環(huán)境是干凈干燥的，傳動過程中工作機受到振動很小，每天間歇工作10～15次，初步以使用時間為15～20年來計算，每天使用的工作時間為15～30min，取30min/d，也就是0.5h/d。由此，可得出傳動裝置在使用壽命內的運行時間為：h=20×365×0.5=3650小時。(2)傳動系統(tǒng)基本參數(shù)1.傳動比該馬達為24伏的DC馬達，運行速度n1為1500r/min，而P1為120W。經(jīng)過前面的計算，這個齒輪的分度圓直徑為79.6毫米。設提升速度為：0.12m/s則可以算出蝸桿傳動需要輸出的轉速：n=60vπd=傳動比：i==150028.8=52.08,擬取值i=52。(3)選用蝸桿傳動類型及精度等級根據(jù)蝸桿的外形和形狀特點，蝸桿傳動可以分為三種類型，在這里，按照設計要求，選擇了圓柱蝸桿傳動，圓柱蝸桿的加工方法有很多種，這里，我們選擇了阿基米德圓柱蝸桿，它的加工精度要求比較高，因為它的嚙合齒輪的剛度比齒輪傳動要大得多，根據(jù)蝸桿傳動的精度等級，這里采用的是動力傳動蝸桿，動力傳動蝸桿對精度要求比較高，所以一般情況下，它的精度要求在6到9個等級之間。(4)選用材料及潤滑條件由于蝸桿結構在傳動過程中，其結構上會由于應力而發(fā)生細微的變形與摩擦，且其滑動速度較快，會影響其接觸精度，而由于蝸桿結構自身對精度的要求較高，所以必須更換材質。所以，在設計這類機構時，選用的剛性材質應較少，而選用壓縮和磨損特性較好的柔性材質作為蝸輪或蝸桿。因此，為了降低由于機械加工過程中產生的變形及摩擦力對加工精度的影響，采用了鑄鋁銅制蝸輪，并采用了鋼制蝸桿。此外，還會對其接觸的準確性造成一定的影響，在選用潤滑油的時候，應該選用具有較高粘性的潤滑油，以免發(fā)生卷曲，其可用性要比齒輪傳動大很多，按照精度級別，此處使用的是動力傳動蝸桿，對于精度有很高的要求，因此，通常來說，其精度要求在6～9個級別。3.4.2蝸桿傳動設計的基本參數(shù)(1)基本齒廓這里，我們所選用的是阿基米德蝸桿，它的基本齒形與經(jīng)過螺桿軸的平面上的漸開線齒輪的基本齒形大致一樣，即：齒形角=20°，其齒頂高=m，與齒輪不同，其齒頂隙為c=0.2m，當設計要求有要求時可以取0.15m<c≤0.35m齒根角半徑=0.3m，必要時0.2m≤≤0.4m，其中m是模數(shù)。(2)模數(shù)、分度圓直徑及直徑系數(shù)由于蝸輪蝸桿傳動軸的嚙合形式是豎直交錯的，因此，在符合規(guī)范要求的條件下，蝸桿的軸向模數(shù)mx應當與蝸輪的端面模數(shù)mt相等，二者的關系可用以下公式表達：M==其中：γ為蝸桿的導程角蝸桿分度圓周的計算可參照本機構的結構和工作原理進行。根據(jù)下面的方程，可以得到蝸桿的直徑系數(shù)：q=其中：，m為模數(shù)。(3)蝸桿導程角導程角也可以被稱為螺紋升角，它的角度的改變會對蝸輪結構的傳動效率產生一定的影響，隨著導程角的增大，齒輪的傳動效率也會隨之提升，從原理上講，導程角越大對設計越有利，但是由于設計需要該環(huán)節(jié)具備自鎖功能，因此，導程角不能超過3°40‘。(4)傳動比和齒數(shù)從前面的分析中，我們知道蝸桿是單頭螺桿，因此z1=1，根據(jù)下面的公式，該系統(tǒng)的傳動比為i=52。u=z2/z1得：z2=52。(5)安裝中心距和蝸輪變位系數(shù)參考《機械設計手冊》，通常選用下列數(shù)值：40506380100125160200(mm)但在實踐中，由于其安裝中心距離往往會偏離以上數(shù)值，為了得到以上數(shù)值，一般采取的辦法是在蝸輪切削過程中，通過變換刀具位置，使節(jié)圓量與分度圓相符合，計算結果如下：=d1其中：x為變位系數(shù)，公式為x=a3.4.3蝸輪蝸桿傳動的設計與校驗根據(jù)上述內容，蝸桿傳動設計的已知條件是：私家車庫門的工作壽命t=3650h，電機轉速n1=1500r/min，功率P1=120W，傳動比i=44，在工作中載荷波動小，選擇阿基米德型圓柱蝸桿，材料為45鋼，蝸輪材料為鑄鋁青銅。(1).選擇[]的值[d1/a]值是蝸輪傳動的一個關鍵參數(shù)，其大小將影響傳動的工作性能。首先計算值。=≈n1d1通過值查表得：=0.32=1.8°又通過i=44=1查得[]=0.52(2).中心距的計算轉矩T：=T×i×=9.55×106×p電n1由于蝸輪傳動系統(tǒng)在整個運轉過程中都有輕微的震動，所以使用系數(shù)其值是1.25。轉速系數(shù)：=n2g通過查閱蝸輪副材料的彈性系數(shù)可取：=164Mpa結構壽命系數(shù)：=625000L?=達到了設計使用年限附加系數(shù)參考機械設計手冊，得如下結果：接觸系數(shù)：=2.5接觸疲勞極限：=265Mpa疲勞最小安全系數(shù)：=1.3通過將以上數(shù)值代入以下公式:a=得：a=42.6mm，圓整后取a=42mm(3).傳動基本尺寸計算由以上設計與計算，我們已知的有：蝸桿頭數(shù)為1，即=1，齒輪的齒數(shù)為=88，升程角γ=3.5°模數(shù)m通過查閱公式得：m=(1.4～1.7)a/=(1.4～1.7)×42/52=1.13～1.41考慮到蝸桿同時起到安全保護能力，應具有自鎖功能，因此擬取m=1.4，=32。蝸輪分度圓直徑：=m=1.4×52=72.8mm計算蝸桿導程角是否具有自鎖功能：γ=≈2.4°＜3°40‘因此該結構具有自鎖功能齒面寬度：=2×m(0.5+)=6.84mm取整后取7mm圓周速度的計算：=πd1查表得：=0.04=1.6°(4).疲勞強度驗算齒面的驗算許用接觸應力：[]==215Mpa最大接觸應力：=ZEZpK所以這種齒面的尺寸是合理的齒輪齒面校核輪齒的失效方式為齒根斷裂，經(jīng)查機械參考手冊可以得到如下數(shù)據(jù)：彎曲條件下齒根疲勞極限=351Mpa彎曲疲勞強度的最小安全系數(shù)=1.4通過以上數(shù)值，可求輪齒的許用彎曲應力。==250.7Mpa以及輪齒的最大彎曲應力===80.4Mpa＜250.7Mpa=所以這種齒輪齒形設計符合要求。撓度的驗算由于蝸桿嚙合部分受到力的作用，軸會發(fā)生偏轉。假定此軸兩端均為自由支承，則蝸桿的最大撓曲可由下列公式求得。δ=＜[δ]其中：表示輪齒上所受的圓周力，I表示在蝸桿中心面上所受的慣量。I==E為彈性模量，l是兩支撐間的間距，[δ]是許用最大撓度，在這個設計中，淬火蝸桿取值為0.004m。將以上數(shù)值公式套入上式，得δ=4.6××此處以該系統(tǒng)的可靠性能出發(fā)，取l＞較為穩(wěn)妥，此處取l=100mm，則：δ=4.6×＜5.6×=[δ]因此該設計符合要求。5.其他校核本設計是為了應用于私家車庫門的增減速運動，私家車庫門在正常情況下使用頻率不高，且每次使用的時間很短，一般不會超過1分鐘，可忽略傳動中產生的熱量，所以不對溫度進行校驗。第4章控制系統(tǒng)的設計4.1系統(tǒng)的總體方案設計4.1.1方案論述該設計方案采用紅外線傳感模塊作為傳感電路發(fā)送信號，以AT89C52單片機及其周邊電路為控制核心，利用紅外光圈探測和車門沖程探測探測兩種方法，對步進電動機進行正、逆調節(jié)，并利用傳輸設備把壓力傳輸給連接件，來完成對車門的切換。在整個操作過程中，首先，電機在接收到信號后，獲得運行電流，接著，啟動正向運轉，產生動力，動力傳給鏈傳動系統(tǒng)，接著，再由鏈傳動系統(tǒng)將動力傳遞給連桿滑塊系統(tǒng)，使得庫門完成開啟運動；在倉庫的大門被徹底打開后，控制器會進行下一步的判定，在傳感器檢測到人車已經(jīng)遠離感應范圍成的。之后，會將信號傳輸給電機，讓電機反向，在完成了相應的操作后，倉庫的大門會被關閉，以達到門的控制的開和關。4.1.2系統(tǒng)組成本設計采用的是一種單片機嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括了包括其周圍電路在內的AT89C52單片機、紅外傳感器感應模塊、步進電機驅動電路和輔助功能。嵌入式系統(tǒng)是一種以應用為核心，以計算機為主體，通過按照使用者對實際功能的要求，來對軟硬件模塊進行靈活裁剪的專用計算機系統(tǒng)[14]。通常情況下，嵌入式系統(tǒng)包括了兩部分，一部分是硬件，一部分是軟件，它的硬件系統(tǒng)通常包括了存儲器，通信模塊，信號處理器等，而軟件則是操作系統(tǒng)。通常，嵌入式系統(tǒng)的主要特征是面向被控制對象，嵌入到應用系統(tǒng)中，工作可靠，控制性能優(yōu)良。而MCU則是一種適合于嵌入式應用的系統(tǒng)。一種完全按照嵌入式系統(tǒng)的需求進行設計簡單[15]。4.1.3總體方案如圖4.1所示，該方案一共包括了：AT89C52單片機、傳感器感應模塊、LCD指示燈電路、電動機驅動電路。圖4.1總體方案4.2功能的實現(xiàn)4.2.1設計電路的框圖和原理圖4.2顯示了硬件的組成。該系統(tǒng)由AT89C52單片機及其外圍電路，紅外檢測電路，步進電機控制電路等組成，并對其進行了詳細的分析。在接收到車輛進出感應范圍的時候，紅外信號檢測電路會向控制中心發(fā)出脈沖信號，控制中心會將模擬信號轉換成數(shù)字信號，可以達到上述項目的需求。要按照具體的應用情況來調節(jié)探測距離，在傳感器探測到車身進入探測區(qū)域后，將啟動感應設備，馬達進行正向轉動，并將私人車庫大門的上升替換為指示燈的亮。該方法不但使硬件實現(xiàn)更加簡單，也使系統(tǒng)的軟件功能得到了改善。圖4.2紅外控制系統(tǒng)的設計的組成方框圖4.2.2系統(tǒng)硬件總體邏輯設計該設計是一種翻板型的電動汽車庫門，它的主要部件包括：1.主機：是汽車車門智能控制的關鍵部件，主要負責對汽車車門上的電感信號進行采集和處理，并對信號進行處理和分析，然后給汽車車門上對應的指令。2.感應檢測器：感應目標發(fā)出訊號，一旦車輛進入感應范圍，將向主控制器發(fā)送脈沖訊號。3.馬達：產生扭矩，驅動門的運轉，并由控制訊號控制門的運轉速度。在第一次操作時，有如下的基本步驟：1.當車輛進入紅外測距感應器檢測到的感應器的作用范圍之內。2.紅外距離傳感器發(fā)射一個脈沖信號，在控制中心接收后，將信號進行變換和解析，再將一個信號發(fā)送給步進馬達，使步進馬達按照命令啟動。3.用特定的電流作為動力，使馬達向前運行，并使其轉動，從而使鏈輪轉動。4.私人車庫的大門完全打開，當車輛進入倉庫時，馬達會反向轉動，私人車庫的大門會自動關閉。4.2.3系統(tǒng)程序流程圖的設計思路：首先由車庫大門的監(jiān)控裝置，利用紅外線探頭偵測到車庫大門的位置，再由感應器發(fā)送訊號，再由該訊號傳送至控制回路。在此基礎上，利用單片機實現(xiàn)了對該信號的處理。然后，該驅動器由一臺可逆的DC電動機驅動，驅動馬達作正向運轉，帶動鏈條傳動系統(tǒng)旋轉。圖4.3系統(tǒng)程序流程圖在對AT89C52單片機進行編程時，可以使用KeilC51等編譯工具進行開發(fā)。下面是車庫門程序，用于控制步進電動機的正逆轉和監(jiān)測車門狀態(tài)：#include<reg52.h>#defineIN1P0_0//步進電機控制端口1#defineIN2P0_1//步進電機控制端口2#defineIR_DETECTP1_0//紅外光圈探測器端口#defineDOOR_DETECTP1_1//車門沖程探測器端口#definePRESSURE_OUTP2//壓力傳輸輸出端口intmain(){while(1){//檢測紅外光圈狀態(tài)if(IR_DETECT){//如果檢測到有人靠近，打開車門while(!DOOR_DETECT){//監(jiān)測車門狀態(tài)IN1=1;IN2=0;//步進電機正轉}IN1=0;IN2=0;//步進電機停止PRESSURE_OUT=1;//壓力傳輸}else{//如果沒有人靠近，關閉車門while(DOOR_DE