私家车库门机械和控制系统设计

第１章绪论1.1研究目的及意义我们现在所处的时代，是一个经济水平和科技发展迅速的时代，在科技不断进步的影响下，人们所能接触到的几乎所有事物都呈现出简单化、智能化的趋势，随着人民群众生活水平的提高，人们对于商品的实用性和购买力也在不断提升[1]。在现代社会，汽车已经逐渐渗透到各个阶层的人群中，汽车的数量也在不断地增长，汽车已经成为普通家庭能够负担得起和经常使用的交通工具[2]。但是，随着人们出行的便利，汽车如何安全停放，如何提高出行效率等问题一直是困扰人们的难题。随着人们对私家车库门的智能化程度越来越高，但是私家车库门只具备了基本的开关和安全效果，在实际使用过程中，仍然存在着操作上和安全性能等其他方面的缺陷[3]。从提升总体性能入手，对其进行了设计和改造，除了可以利用遥控器对车库门进行直接的操控外，还可以利用传感器将信号传输到电机，从而达到门扇的自动切换，并且还具有报警装置等辅助功能，无论是安全性还是性能都要优于一般的车库门。因此，这种车库门的设计，在为人们的出行、仓储提供方便的同时，也更好地保护了人们的人身和财产的安全。由此可以看到，具有以上这些性能的私家汽车库门，在当前的市场中，与其他类似的产品相比，具有很大的优越性，具有很强的竞争能力，而且因为其具有多元化的智能性，所以它的发展潜力也很大。本课题针对私家车库，设计一款私家车库门机械和控制系统，该设计将大大提高人们出行的时间效率以及出行的安全性。1.2研究现状与展望就其构造而言，当前市面上普遍使用的汽车车库门，大致可分为三大类[4]。而在我国，则以滚筒式为主。卷帘门不但在家庭停车场得到了广泛的使用，在工业厂房的大门上也得到了大量的使用。卷帘门的优势在于其构造紧凑，在门道过大或门身不适合在地上的场合，通常都可以达到需求，而且其构造相对简单，动作也相对容易。而上滑道型车库门，是由设置在一条固定的轨道上的滚子，驱动由多个门板互相构成的门扇，并由上升的转动来实现门扇的开启和关闭。在国外，比较常用的是翻板型，是用一块门板被一条横向导轨推着向上移动，来打开车门。在打开方法方面，还可以发展成各种类型的单片门，例如无需导轨，只由枢转机构、多杆结构驱动门板向上翻转的翻板门。现在市场上也大多使用的是通过弯曲的轨道来推动打开的分段的单板门[5]。从遥控的方法来看，这三类车库的大门有遥控的，电动的，手动的[6]。在这些类型中，远程控制的、感应控制的和电动控制的都可以被称为“自动车库门”[7]。采用电动马达带动门锁，实现了对门锁的控制。智能车库门：除了基础的功能外，还可以增加照明、报警等辅助功能。使用自锁式蜗轮蜗杆减速器及后备供电机构，能有效预防停电及其它突发事件发生，不仅能确保车库大门运行稳定，而且能保护使用者财及物的人身安全；使用该红外线传感器的汽车车库大门，不仅可以省去遥控控制，而且可以在特定的汽车出入感测区域进行自动开启和关闭[8]。第2章总体方案的分析与确定2.1概述首先，简单地介绍一下翻板型私家车库门的机构构造，在提升机构上，无需滑道引导，降低了滑动过程中的摩擦，降低了噪音，提升更加平稳。该系统采用动力传动机构，通过传动机构的动力，使门板转动，使其在某一或几个位置处转动，来实现对汽车库门的开启和关闭。因此，拉链式升降机构的设计对于汽车车门是否能够打开有着很大的影响。同时，参照私家车库门行业标准，翻板式车库门对门扇完全展开时的提升高度和距离门孔顶端的高度都有一定的规定，对门扇突出私家车库的长度也有一定的规定，从驱动形式上看，可以选择皮带驱动和链条驱动两种驱动形式，并通过对其进行了分析和对比。为保证自卸式车门运转的平稳性，应在车门起动及即将停下时加装减速装置，以改善车门的平稳性。同时，在使用私家车库门时，应保证在出现紧急状况时，如突然停电，该结构仍然能够进行提升与下落操作或进行自锁操作，以保证用户的人身和财产安全。采用自动控制技术是使汽车车门智能化的最佳途径。在该设计中，可以使用红外避障传感器，在车辆进入或驶出检测范围之后，它会将脉冲信号传送到控制中心，然后把脉冲信号转化为数字信号，再被控制中心接收，然后，控制中心会对这些信号进行分析，然后作出判断，再把对应的控制信号发送到电机，电机在接收到信号之后，就会启动工作，再利用传动系统把力传到提升结构上，这样就可以实现对私家车库门的切换。也可以用遥控器，对停车场的门进行遥控。通过以上的分析可以看出，遥控距离的极限要求可以被控制在30m之内，门的打开时间可以被控制在8-15秒，而关于私家车库门的其它一些基本的参数，可以参考私家车库门的行业标准，得到如下的一些基本参数：（1）私家车库门的开关速度：0.1～0.3m/s（2）门板重量：20-30kg（3）运转噪音：20-30kg（4）私家车库门门板高/宽/厚度：2400～2500mm/3000mm/50～100mm（5）手动启闭时所需的力：<50-70N[9]。2.2提升机构的分析与确定通过对私家车库门的研究，得出了翻板式车库门具有结构简单、平衡好、隔音防尘等优点，而且在当前的市场中具有较大的竞争力，因此更适用于私人的车库门。该翻板型车库门采用升降链，使其从竖立的门板上升至近似于横立的水平位置，实现了对库门的开启和关闭。在保证机械性能的前提下，设计出一条满足机械性能的曲线，并尽可能地满足机械性能的要求。基于这一点，还应该确保对结构的其它一些基本参数的需求，可以参考私家车库门行业标准，得到如下的基本数据：（1）私家车库门开关速度：0.1～0.3m/s（2）门板重量：20-30kg（3）运转噪音：<50分贝（4）私家车库门门板高/宽/厚度：2400～2500mm/3000mm/50～100mm（5）手动启闭时所需的力：<50～70N。（A）（B）（C）图2.1提升机构的方案A种方案：将电动机的作用力作用于铰接点，将连杆分别连接到车门的两个点上。通过在铰链上施加一个逆时针方向的扭力，库门就会顺时针方向的翻转来完成开关。B种方案：电动机的作用力作用于门板上的铰接点上，并将逆时针方向的扭力作用于铰接点上，使门板向内逆时针方向翻转，从而完成开关动作。C种方案：马达所产生的动力只会在门的顶部产生，而不会在合叶上产生任何动力。马达对门框施加横向作用力，推动二根杠杆，将门沿顺时针方向旋转，从而实现了库门的开启和关闭[10]。通过比较，A和B两种设计都是通过对铰链进行扭转，使其构造十分简单；其中，B方案在提升过程中，铰接点所受的力随着库门提升而越来越大，导致了很大的不稳定，平衡性能差，并且在提升过程中，门板会对车库内部空间产生积压。A型方案优于B型，但因其仅依靠单一的支撑点，使支撑点的应力更集中，且不能保持足够的稳定性，故存在一定的缺陷。因此，仅仅依赖于固定铰接点，并通过转动来实现整体运动的结构方案，尽管结构简单，但通常都会出现受力集中、平衡性欠佳、门体运动轨迹大、空间占用较大等问题。C方案不再向铰链点施力，而向门头施加横向作用力，使得两个操纵杆沿顺时针方向转动，实现了库门的闭合，其稳定性优于A、B两种方法，并在该方法的基础上，引入横向导向及滑动机构，通过驱动方式推动门头提升，大大增加了库门的运行稳定性。总结：在当前所制定的这几种方案中，单纯地依赖于固定铰接点，利用旋转来实现整个运动的结构方案，虽然其构造很简单，但总体上都会出现一些问题。如：受力集中、平衡性差、门体运动轨迹大等。而竖向/横向导轨与两个固定关节相匹配以实现整个动作的结构方案，通常要优于第一种方案，经过深入的研究和对比，认为水平导轨与两个固定关节相匹配的铰链双曲柄机构方案更为合理，所以选用了C种方案。2.3传动机构的分析与选用电机在输出转矩转化为拉动门板翻转提升力的中间部件统称为传动机构[11]，其中包括减速和传动两部分，减速安放在电机与工作机之间作减速之用，电机经减速后相应地增大了转矩，使其满足提升门板的要求，减速器有如下几种。表2.1减速器的类型除了以上类型以外，还有行星轮系减速器，其传动效率高，但结构复杂，制造精度要求高，就暂不选用。用一条横轨，将大门从内侧墙壁上拉下来。可通过设计图的分析，得出在库门和墙面上两个位置的正确取舍是可以达到其作用的。当前还应注意的问题是，在移动时，车门的抬升速率和移动的范围，导轨和滑块使用链条驱动，四个点的位置可以由绘图方法求出。遥控车库门系统对驱动提升机构的效能没有很高的需求，根据车库门的工业标准，与其它种类的车库门比较，翻板式车库门门板的提升速度比较缓慢，一般在0.1～0.3m/s，提升时间一般为8-15秒。家庭式车库门依有关工业规范，一般宽3米，高2.4～2.5米，其厚度亦因材质而异。由于所用材质的差异，所以在重量上也有细微的差别。本文中，设计一种铝合金壳，内为隔热材料的轻质车库门，其质轻、隔热效果好，但其存在着安全隐患，可以考虑采用高韧性材料对门板进行加强。经过对市场的调查，当前市场上流通的车库门开门机的动力通常都不会大于200W，并且机械的运转频率也非常的低，所以，在使用寿命上，库门结构自身可以维持很久。此外，只有车库门具有安全性，在突发状况下应该具有更大的应变力，而不是普通的车库门。例如，在开启车库门时，若发生突发停电，则需有保险措施将门保持在原地，或不断向上翻转，以避免门板掉落，伤及下方的人和物。因此，可以考虑使用后备电池，或是选用具有自我锁定功能的减速装置。然而，电池属于一次性产品，如果长期断电，电量耗尽，还是有很大的隐患。而当蜗轮减速器的导程角处于一定的范围之内时，它自身就具备了自锁功能，因此它的工作非常稳定，在进行门切换的时候，它可以发挥出很好的减速效果，同时还可以增强它的稳定性，与现在对紧急状况的需求相吻合。因此，本文选取了涡流式减速机为主要的减速机。翻板式车库门的整体结构在电机启动后，转矩由传动带转化成拉力，牵引滑块向右移动，滑块与拉杆相连，拉杆牵引门板向上翻转提升，实现了车库门的开关。作为连接电机与杆件的核心部件，其好坏直接影响着电机的功率能否向杆件传输，也影响着电机的传输效率与速率。在传动装置的选取上，常用到链传动、带传动、平带传动、同步带传动、齿轮传动等，其中齿轮传动对工作条件要求较高，需有箱体保护，不适用于私人车辆。表2.2带传动和链传动的各项性能参数的分析比较从上表中我们可以看到，带传动虽然相对于链条传动，在许多方面具有显著的优点，但一般来说，在工作过程中，会出现打滑现象。在私人车库门的使用中，对门板的吊装要求非常高，为确保人、车的安全性，在任意条件下，都不能出现不可控制的下坠，一旦皮带出现滑动，将造成非常大的损失，因此，采用链条传动来吊装门板。2.4控制系统的方案分析与选用汽车车库车门是汽车车库的一个重要组成部分，其自动控制系统是汽车车库车门的一个重要组成部分。首先利用红外线感应器，在汽车驶入感应器的探测距离时，感应器就会发送信号给控制中心，然后给马达一个命令，马达就会向前转动，打开车门，而在汽车驶入停车场时，红外线感应器就会感应到，马达就会反向转动，把车门给关上。此外，还可以让红外传感器具备额外的功能，比如：对信号进行识别，对距离库门过近的疑似车辆进行警告，或者在库门关闭时对于突然进入的物体进行紧急制动等，如图2.2所示，对控制系统的总体结构进行了描述。图2.2控制系统的整体结构2.4.1电源的选用本私家车库门的设计是以普通住宅区私家车库门为目标，所以在电源的选择使用标准电源220V,50Hz。2.4.2驱动执行元件的选用从生产和使用成本方面看，若采用液压气动元件作为此系统的驱动装置，其价格比其它选择要便宜得多，且不易维修。因其用途广泛，且成本低廉，故选用其来为私人仓库车门的抬升力提供动力。从方便调速及正逆转控制等角度来看，由于直流马达具有良好的启动性能和调速性能，因此，将其作为私家车库门驱动装置。在控制模块的选择时，应以简单实用的原则，通过数字门电路，来进行实现对车库门的控制。第3章提升与传动机构的设计与研究3.1系统的设计依据对提升装置及传输装置进行了详细的分析与设计，这是确保提升装置能够顺利运行的前提。在进行该装置的设计时，要在保证其基本功能要求的情况下，尽量使其机构简单、控制、运行方便、造价低廉、性价比高。在开发之前，对该设备的运行情况及各种性能参数进行了调研，为该设备的开发奠定了基础。以下的表3.1中给出了某些需要考虑的因素。表3.1部分设计指标针对每个过程中所使用的零部件的设计，从普适性的观点出发，尽可能地选用统一的零部件参数，从而减少了设计的困难和费用，仅当一般的标准件无法达到设计需求时，才会针对特定需求的零部件进行设计。3.2提升部件的设计3.2.1连杆结构的设计翻板式车库门与卷帘式车库门的区别就是，翻板式私人车库门没有滑道，门板是一个整体，它是一个整体，它是用两头墙体固定并对称铰接点上的连杆结构来支撑的，其中的力是用链传动系统传送到连杆提升结构，从而推动门板向上翻起的。这类机械能否平稳、稳定地运转，其核心就是要保证其能够在第一时间内达到动作要求。首先，为了确保车门可以被正确地开启，车门上的把手必须被限制在某个范围内。为了不占用室内空间，应将私家车库门提升到适当的高度，并在最高处使门板与顶面之间留有一定的间距，参照《汽车车库门》，确定了库门突出户外的长度。本节的重点是从结构简单，运转轨迹顺畅这一方面入手，对连杆机构的各点位置以及各杆长度进行了计算，并根据私家车库门的工业标准以及运动要求，建立函数约束，对整个机构进行了最优的设计与计算。图3.1库门闭合时简图在翻板型的汽车仓库大门中，使用了两个铰接的曲轴传动装置，见图3.1。在该图中，在关闭状态下，门与连接件的位置为实线，在开启状态下，门与连接件的位置为虚线。在打开状态下，车门的高度取决于连接装置中每个杆件的长度和每个顶点之间的空间距离。若能对此进行适当的设计，则可使门的移动更为方便、顺畅，并可使其与门的上缘及门的外缘相对较小、门的外缘相对较小。汽车车库门的打开与关闭，其动力通过传动机构传输至电梯机构，通过电梯机构实现。传动结构通过控制滑块驱动连杆结构牵引门扇上方的铰接点，使得门板沿A,B为圆周向上翻动，这时要让门能够正常开启，就必须要约束各杆长度。在此进行数学模型的创建：1.举升机构各杆件长度之和：f1(X)=其中：112.门的开启高度为保证门在打开时具有充分的高度，并且不会占据室内的空间，在全部打开时，应该将门板与门孔顶端的距离S保持在一个确定的数值之内。l1、l2、l3、l4在垂直方向的投影关系为：ℎl1、l2、l3、l4在水平方向的投影关系为：u通过消去化简，整理后得：A.l式中：A=4B=4ℎC=1依几何关系，门体距门洞上边沿的距离为：f2(X)=S=门体伸出门洞外的长度L：f优化设计：然后，根据制造和结构的要求，确定了相应的约束条件。（1)考虑车门厚度和铰链轴半径60≤h1≤80（2）为防止杠杆BD与铰接轴C(150～h2=h4～240）间的干涉，（3）为避免枢轴A和枢轴B的支撑盘被设计成大于100-260，（4）v1（或v2）大于0（或v1）大于0（或v2)，按照私人车辆门的工业标准及实际工作条件的需要，当门扇完全开启时，其与门孔顶端的距离S不大于总门高的十分之一，本设计中，其长度为2500mm，从门孔外突出的长度L不大于总门高的二分之一，即1250mm，将以上参数转换为函数约束表达式：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图3.2优化算法的程序框图优化设计数学模型如下:X=[l1，l2，h1，h2，h3，v1，v2，v4]TminF(X)=[f1(X)，f2(X)，f3(X)]T满足gu(X)≥0，(u=1，2，…10)得到优化后结果如下表3.2表3.2优化前后各数值相较于得出的结果，这种优化设计可以使全开状态下的门扇与洞顶之间的距离减少39%，从洞口伸出的长度减少3%，连接机构的杆件总长度减少12%，既节省了材料，又减少了私人车库的占地面积。3.2.2连杆结构的力学校核该私家车库门的提升连杆机构的参数指标如下表3.3表3.3连杆机构的参数指标指标数值或内容备注门板质量20-30kg铝合金库门门板规格长3000mm,高2500mm,宽60mm宽和高参考车库门行业标准连杆规格拟采用45钢，长度视实际情况而定根据实际情况自定规格运行速度0.12m/s参考车库门行业标准弹簧装置刚度系数及自然长度视实际情况而定平衡重力，平稳系统1.力学分析该私家车库门使用的是在顶部安装一个电机，由电机所产生的力，可以利用链传动带动顶部滑块牵引连杆结构来实现开关门的目的，并可以通过确定拉杆受最大拉力点时的拉力来确定转矩。通过将电动机作用于整个系统的作用力转化为一个横向的转速，使其在不降低总体性能的前提下，使其在整个系统中得到最大的简化[12]。然而，在系统工作时，最大的摩擦是铰接点的力矩，与电机作用到连杆系统上的力相比，摩擦要大很多，所以，在本次力学检查中，摩擦可以被忽略。为方便计算，也可以把转折点设置在汽车车门上。2.力学计算本文以检测车库门的机械特性为研究对象。在此，所述的门的重量是30kg，所述的连杆包括连杆AD和BC，所述连杆与所述墙的对应的AD'和BC'，以及所述连杆FG和GH。设定该提升结构的基础信息，确定基本单位（mm,N,Kg,S)，连杆结构材料为45钢结构，默认两杆规格为宽40mm，厚20mm，长度由先前的计算得出。接着，确定了私家车库门门体的基本数值，私家车库门的高2500mm、宽3000mm、厚60mm，重量30kg。然后用连杆来联结，形成拉杆的结构，然后用导轨的滑动装置来实现滑板与导向的连结。首先对每一种结构进行了构造，并对其进行了构造，构造了在杆件与基座、在杆件与拉杆以及滑块件之间构造了转动对；所述的两条拉杆，所述的两条拉杆，所述的两条拉杆与所述的导轨及所述的地板间均设有所述的固定对；在滑块与导轨之间设置移动副，并对其上设置水平于X方向驱动，将其速度设置为0.12m/s，并可设置弹簧机构，提高其稳定性。在本设计连杆截面规格：40×20mm抗拉强度：=600Mpa屈服强度：=355Mpa弹性模量:E=210GPa泊松比:0.269［13］安全因数：n=1.7由此可得到45钢材料的许用应力[]==208.7Mpa在X，Y，Z方向受力分别为Fcx=-400N，=100N，FDx=-350N，FDy=50N，FCz=412.3N，=353.5N将上述各项数值按照其在横、纵断面上所受的荷载分为：σc=sinσD=sin=sinαF=sinbF通过第三强度理论，由如下公式得出各杆的屈服极限。=≤=[]=208.8Mpa则：σr3c=59.06Mpa≤[]σr3D=45.92Mpa≤[]因此都符合设计强度要求。3.3传动部件的设计该系统中的传动装置可以分为链传动和带传动两种，链传动指的是一种将带有特定齿形的主动链轮，经由链条将移动和动力传输给带有特定齿形的从动链轮的一种传动形式，而带传动指的是一种使用张紧在带轮上的弹性带来实现移动或动力传输的一种机械传动。这两种传动形式根据各自的特点，在各种机械的动力传输中普遍存在。链传动相对于带传动，为0.12m/s，最后还可以加入弹簧装置，以增加其稳定性。在本设计中，所有连杆均选用强度高、抗变形能力好的45钢。1.无弹性滑移，无打滑现象，具有更高的精度2.相对于其它变速器，在相同工作条件下，其变速器尺寸更紧凑3.轴受力小，要求张紧力小4.具有高效率和大功率5.对工作环境要求不高，能够保证良好的传输性能6.具有较大的传动距离和较强的过载能力虽然带传动也有它的优点，但是为了安全性和稳传递的一种机械传动。这两种传动形式根据各自的特点，在各种机械的动力传输中普遍存在。链传动相对于带传动，具有许多优点。3.3.1电动机的选用在本传动系统中，所选用的电机是直流电机，它的基本参数首先以民用常用电机为参考，取为：220V/50Hz，该电动机转速n1=2500r/min，额定功率P=120w。3.3.2链条的选用与校核首先，将链轮的直径设置为60～100mm，将链传动的速度设置为0.12m/s，那么，链轮的旋转速率为40～80r/分钟，传动功率为100w。同时，因为低速、中心距较大，因此，采用大节距的单列链条更能满足设计需要。选择了12A型滚子链，其中几种滚子链的关键技术指标如表3.4所示。在这里，链条的转速很慢，因此链条的破坏主要是由于超载引起的断裂，因此，此类链条的静态强度安全系数应符合以下公式：S=式中：链排数：由于该设计采用的是大截距的单排链，即取1。工况系数：无冲击或很小时可取1.0～1.2，受到中等冲击时KA可取1.2～1.4，冲击严重时KA取1.4～1.7，此处由于传动过程中振动冲击较小，KA链的极限拉伸载荷FQ：通过表3.4，F在链条传动的时候，会受到三种不同的拉力的影响，在这个系统中，链速为0.12m/s，对轮齿产生的离心力非常小，因而可以将其完全忽视，而当整个传动系统在一条水平线上时，垂度拉力同样很小，也可以将其完全忽视，因此，只要将工作拉力进行考量就可以了。所以：表3.4滚子链的主要尺寸和极限拉伸载荷链号链节距滚子外径dr内链节内宽b1内链节外宽内链板高度单排每米质量极限拉伸载荷mmmmmmmmmmKg/mN10A15.87510.169.4013.8415.091.02180012A19.0511.9112.5717.7518.081.53110016A25.4015.8815.8822.6124.132.655600经分析，其静态安全性能指标均高于规范规定，达到了设计的要求。即便在传输时，链所受到的拉力突然出现了变化，超出400N，仍满足要求，即选择12A型滚子链满足强度要求。3.3.3链轮的设计在该方案中，链传动为传动部件，没有增减速要求，并且可以选择相同类型的两种链轮。因为该装置的传动速度很慢，所以可以对其进行适当的减速器。通常情况下，将齿数设计成不能被链节数所整除者的数，这样对延长齿轮、链条的使用寿命有较大帮助。此时，将链轮齿数Z=13，由上表3.4可以查找到链的节距p=19.05mm，根据以下的计算，可以得到链轮的各个参数。那么，可以知道链条的齿数Z=13链节距p＝19.05mm那么，链轮分度圆的尺寸是：d=psin齿顶圆直径为：d取整为88mm齿根圆直径为：d其中：为滚子外径，查表可取值为≤11.91mm，此处取10mm轮毂最大直径：＜-1.04h-0.76=57.7mm取整为dg轮毂厚度：h=k++0.01d=4.8++0.01×79.6≈8.5mm其中：=18，k为常数，通过d取值为4.8。轮毂长度：l=（2.7～3.2）×h=22.95～27.2mm取整为l=24mm轮毂直径：=+2h=18+17=35mm齿宽：bf取整为bf其中：为内链节内宽，由上表查得=12.57mm齿侧倒角、半径：=p×0.13=19.05×0.13=2.48mm=2.5mm=p=19.05mm考虑到工件在工作中自身的实际情况，采用IT8的公差水平，IT7的轴公差水平，选用的公差带为H级。3.4减速部件的设计3.4.1蜗杆传动设计的基本要求在私家车库门运行过程中，为了提高整体结构的稳定性，应在库门起动和接近终了时增加减速器，以降低转速和增大扭矩。在减速器的选取上，由于在相同的齿轮比下，蜗轮驱动相对于其它的驱动形式，它的结构紧密，稳定性高，噪音很低，振动很低。与此同时，为了让结构变得更简洁，由于蜗杆传动更易于获得大的单级传动比，所以可减少传动副，与多级齿轮传动等传动方式比较，它所需的零件更少，在结构上，它的相对尺寸更小，重量也更轻。而且，在单机蜗杆传动的基础上，在其导程角值比较低时，可以实现自锁效果，更符合本设计的安全要求。(1)工况及寿命假定蜗轮结构的工作环境是干净干燥的，传动过程中工作机受到振动很小，每天间歇工作10～15次，初步以使用时间为15～20年来计算，每天使用的工作时间为15～30min，取30min/d，也就是0.5h/d。由此，可得出传动装置在使用寿命内的运行时间为：h=20×365×0.5=3650小时。(2)传动系统基本参数1.传动比该马达为24伏的DC马达，运行速度n1为1500r/min，而P1为120W。经过前面的计算，这个齿轮的分度圆直径为79.6毫米。设提升速度为：0.12m/s则可以算出蜗杆传动需要输出的转速：n=60vπd=传动比：i==150028.8=52.08,拟取值i=52。(3)选用蜗杆传动类型及精度等级根据蜗杆的外形和形状特点，蜗杆传动可以分为三种类型，在这里，按照设计要求，选择了圆柱蜗杆传动，圆柱蜗杆的加工方法有很多种，这里，我们选择了阿基米德圆柱蜗杆，它的加工精度要求比较高，因为它的啮合齿轮的刚度比齿轮传动要大得多，根据蜗杆传动的精度等级，这里采用的是动力传动蜗杆，动力传动蜗杆对精度要求比较高，所以一般情况下，它的精度要求在6到9个等级之间。(4)选用材料及润滑条件由于蜗杆结构在传动过程中，其结构上会由于应力而发生细微的变形与摩擦，且其滑动速度较快，会影响其接触精度，而由于蜗杆结构自身对精度的要求较高，所以必须更换材质。所以，在设计这类机构时，选用的刚性材质应较少，而选用压缩和磨损特性较好的柔性材质作为蜗轮或蜗杆。因此，为了降低由于机械加工过程中产生的变形及摩擦力对加工精度的影响，采用了铸铝铜制蜗轮，并采用了钢制蜗杆。此外，还会对其接触的准确性造成一定的影响，在选用润滑油的时候，应该选用具有较高粘性的润滑油，以免发生卷曲，其可用性要比齿轮传动大很多，按照精度级别，此处使用的是动力传动蜗杆，对于精度有很高的要求，因此，通常来说，其精度要求在6～9个级别。3.4.2蜗杆传动设计的基本参数(1)基本齿廓这里，我们所选用的是阿基米德蜗杆，它的基本齿形与经过螺杆轴的平面上的渐开线齿轮的基本齿形大致一样，即：齿形角=20°，其齿顶高=m，与齿轮不同，其齿顶隙为c=0.2m，当设计要求有要求时可以取0.15m<c≤0.35m齿根角半径=0.3m，必要时0.2m≤≤0.4m，其中m是模数。(2)模数、分度圆直径及直径系数由于蜗轮蜗杆传动轴的啮合形式是竖直交错的，因此，在符合规范要求的条件下，蜗杆的轴向模数mx应当与蜗轮的端面模数mt相等，二者的关系可用以下公式表达：M==其中：γ为蜗杆的导程角蜗杆分度圆周的计算可参照本机构的结构和工作原理进行。根据下面的方程，可以得到蜗杆的直径系数：q=其中：，m为模数。(3)蜗杆导程角导程角也可以被称为螺纹升角，它的角度的改变会对蜗轮结构的传动效率产生一定的影响，随着导程角的增大，齿轮的传动效率也会随之提升，从原理上讲，导程角越大对设计越有利，但是由于设计需要该环节具备自锁功能，因此，导程角不能超过3°40‘。(4)传动比和齿数从前面的分析中，我们知道蜗杆是单头螺杆，因此z1=1，根据下面的公式，该系统的传动比为i=52。u=z2/z1得：z2=52。(5)安装中心距和蜗轮变位系数参考《机械设计手册》，通常选用下列数值：40506380100125160200(mm)但在实践中，由于其安装中心距离往往会偏离以上数值，为了得到以上数值，一般采取的办法是在蜗轮切削过程中，通过变换刀具位置，使节圆量与分度圆相符合，计算结果如下：=d1其中：x为变位系数，公式为x=a3.4.3蜗轮蜗杆传动的设计与校验根据上述内容，蜗杆传动设计的已知条件是：私家车库门的工作寿命t=3650h，电机转速n1=1500r/min，功率P1=120W，传动比i=44，在工作中载荷波动小，选择阿基米德型圆柱蜗杆，材料为45钢，蜗轮材料为铸铝青铜。(1).选择[]的值[d1/a]值是蜗轮传动的一个关键参数，其大小将影响传动的工作性能。首先计算值。=≈n1d1通过值查表得：=0.32=1.8°又通过i=44=1查得[]=0.52(2).中心距的计算转矩T：=T×i×=9.55×106×p电n1由于蜗轮传动系统在整个运转过程中都有轻微的震动，所以使用系数其值是1.25。转速系数：=n2g通过查阅蜗轮副材料的弹性系数可取：=164Mpa结构寿命系数：=625000Lℎ=达到了设计使用年限附加系数参考机械设计手册，得如下结果：接触系数：=2.5接触疲劳极限：=265Mpa疲劳最小安全系数：=1.3通过将以上数值代入以下公式:a=得：a=42.6mm，圆整后取a=42mm(3).传动基本尺寸计算由以上设计与计算，我们已知的有：蜗杆头数为1，即=1，齿轮的齿数为=88，升程角γ=3.5°模数m通过查阅公式得：m=(1.4～1.7)a/=(1.4～1.7)×42/52=1.13～1.41考虑到蜗杆同时起到安全保护能力，应具有自锁功能，因此拟取m=1.4，=32。蜗轮分度圆直径：=m=1.4×52=72.8mm计算蜗杆导程角是否具有自锁功能：γ=≈2.4°＜3°40‘因此该结构具有自锁功能齿面宽度：=2×m(0.5+)=6.84mm取整后取7mm圆周速度的计算：=πd1查表得：=0.04=1.6°(4).疲劳强度验算齿面的验算许用接触应力：[]==215Mpa最大接触应力：=ZEZpK所以这种齿面的尺寸是合理的齿轮齿面校核轮齿的失效方式为齿根断裂，经查机械参考手册可以得到如下数据：弯曲条件下齿根疲劳极限=351Mpa弯曲疲劳强度的最小安全系数=1.4通过以上数值，可求轮齿的许用弯曲应力。==250.7Mpa以及轮齿的最大弯曲应力===80.4Mpa＜250.7Mpa=所以这种齿轮齿形设计符合要求。挠度的验算由于蜗杆啮合部分受到力的作用，轴会发生偏转。假定此轴两端均为自由支承，则蜗杆的最大挠曲可由下列公式求得。δ=＜[δ]其中：表示轮齿上所受的圆周力，I表示在蜗杆中心面上所受的惯量。I==E为弹性模量，l是两支撑间的间距，[δ]是许用最大挠度，在这个设计中，淬火蜗杆取值为0.004m。将以上数值公式套入上式，得δ=4.6××此处以该系统的可靠性能出发，取l＞较为稳妥，此处取l=100mm，则：δ=4.6×＜5.6×=[δ]因此该设计符合要求。5.其他校核本设计是为了应用于私家车库门的增减速运动，私家车库门在正常情况下使用频率不高，且每次使用的时间很短，一般不会超过1分钟，可忽略传动中产生的热量，所以不对温度进行校验。第4章控制系统的设计4.1系统的总体方案设计4.1.1方案论述该设计方案采用红外线传感模块作为传感电路发送信号，以AT89C52单片机及其周边电路为控制核心，利用红外光圈探测和车门冲程探测探测两种方法，对步进电动机进行正、逆调节，并利用传输设备把压力传输给连接件，来完成对车门的切换。在整个操作过程中，首先，电机在接收到信号后，获得运行电流，接着，启动正向运转，产生动力，动力传给链传动系统，接着，再由链传动系统将动力传递给连杆滑块系统，使得库门完成开启运动；在仓库的大门被彻底打开后，控制器会进行下一步的判定，在传感器检测到人车已经远离感应范围成的。之后，会将信号传输给电机，让电机反向，在完成了相应的操作后，仓库的大门会被关闭，以达到门的控制的开和关。4.1.2系统组成本设计采用的是一种单片机嵌入式系统，该系统包括了包括其周围电路在内的AT89C52单片机、红外传感器感应模块、步进电机驱动电路和辅助功能。嵌入式系统是一种以应用为核心，以计算机为主体，通过按照使用者对实际功能的要求，来对软硬件模块进行灵活裁剪的专用计算机系统[14]。通常情况下，嵌入式系统包括了两部分，一部分是硬件，一部分是软件，它的硬件系统通常包括了存储器，通信模块，信号处理器等，而软件则是操作系统。通常，嵌入式系统的主要特征是面向被控制对象，嵌入到应用系统中，工作可靠，控制性能优良。而MCU则是一种适合于嵌入式应用的系统。一种完全按照嵌入式系统的需求进行设计简单[15]。4.1.3总体方案如图4.1所示，该方案一共包括了：AT89C52单片机、传感器感应模块、LCD指示灯电路、电动机驱动电路。图4.1总体方案4.2功能的实现4.2.1设计电路的框图和原理图4.2显示了硬件的组成。该系统由AT89C52单片机及其外围电路，红外检测电路，步进电机控制电路等组成，并对其进行了详细的分析。在接收到车辆进出感应范围的时候，红外信号检测电路会向控制中心发出脉冲信号，控制中心会将模拟信号转换成数字信号，可以达到上述项目的需求。要按照具体的应用情况来调节探测距离，在传感器探测到车身进入探测区域后，将启动感应设备，马达进行正向转动，并将私人车库大门的上升替换为指示灯的亮。该方法不但使硬件实现更加简单，也使系统的软件功能得到了改善。图4.2红外控制系统的设计的组成方框图4.2.2系统硬件总体逻辑设计该设计是一种翻板型的电动汽车库门，它的主要部件包括：1.主机：是汽车车门智能控制的关键部件，主要负责对汽车车门上的电感信号进行采集和处理，并对信号进行处理和分析，然后给汽车车门上对应的指令。2.感应检测器：感应目标发出讯号，一旦车辆进入感应范围，将向主控制器发送脉冲讯号。3.马达：产生扭矩，驱动门的运转，并由控制讯号控制门的运转速度。在第一次操作时，有如下的基本步骤：1.当车辆进入红外测距感应器检测到的感应器的作用范围之内。2.红外距离传感器发射一个脉冲信号，在控制中心接收后，将信号进行变换和解析，再将一个信号发送给步进马达，使步进马达按照命令启动。3.用特定的电流作为动力，使马达向前运行，并使其转动，从而使链轮转动。4.私人车库的大门完全打开，当车辆进入仓库时，马达会反向转动，私人车库的大门会自动关闭。4.2.3系统程序流程图的设计思路：首先由车库大门的监控装置，利用红外线探头侦测到车库大门的位置，再由感应器发送讯号，再由该讯号传送至控制回路。在此基础上，利用单片机实现了对该信号的处理。然后，该驱动器由一台可逆的DC电动机驱动，驱动马达作正向运转，带动链条传动系统旋转。图4.3系统程序流程图在对AT89C52单片机进行编程时，可以使用KeilC51等编译工具进行开发。下面是车库门程序，用于控制步进电动机的正逆转和监测车门状态：#include<reg52.h>#defineIN1P0_0//步进电机控制端口1#defineIN2P0_1//步进电机控制端口2#defineIR_DETECTP1_0//红外光圈探测器端口#defineDOOR_DETECTP1_1//车门冲程探测器端口#definePRESSURE_OUTP2//压力传输输出端口intmain(){while(1){//检测红外光圈状态if(IR_DETECT){//如果检测到有人靠近，打开车门while(!DOOR_DETECT){//监测车门状态IN1=1;IN2=0;//步进电机正转}IN1=0;IN2=0;//步进电机停止PRESSURE_OUT=1;//压力传输}else{//如果没有人靠近，关闭车门while(DOOR_DE