齿轮齿条和螺旋传动机构的分析与比较

图 10 竖直方向的速度曲线图（ 齿轮齿条）
图 7 水平方向的速度曲线图（ 螺旋传动）
图 11 竖直方向的速度曲线图（ 螺旋传动）
有波动，但螺旋传动的速度值小一些。
图 8 竖直方向的加速度曲线图（ 齿轮齿条）
图 9 竖直方向的加速度曲线图（ 螺旋传动）
（ 2） 竖直方向上，螺旋传动机构的加速度曲线 平稳得多，数值也小很多； 两种方案的竖直速度都
关键词 立体车库 齿轮齿条 螺旋传动
中图法分类号 TH122. 1 TM761；
文献标志码 A
随着我国城市车辆拥有量的飞速增长，停车设 施过度短缺造成的问题越发明显［1］。因此，建造立 体车库成了一种必要的手段。平移载车架是立体 车库中的重要组成部件。搭载了汽车、调头机构和 升降载车板的平移载车架总质量达 5 t，要保证这个 重型机构 在 高 空 轨 道 上 安 全 平 稳 地 移 动［2］。 本 文 设计了 两 种 机 构———齿 轮 齿 条 机 构 和 螺 旋 传 动 机 构来驱动该系统运动。为精确地描述两种机构的 运动情况，对 平 移 载 车 架 的 主 横 梁 部 分 作 运 动 分 析，并对驱 动 机 构 的 接 触 部 位 进 行 受 力 分 析，然 后 把两种结果做了详细比较，最后选择一种更平稳的 机构作为驱动机构。
移齿轮和齿条啮合传动。为防止过定位，滚轮轴的 支座上半部和下半部之间有调节垫片，用于调整主 梁和平移轨道的垂直间距，保证平移齿轮和齿条精 确啮合。滚轮和滚轮轴结构如图 2。
12 卷
图 3 齿轮齿条驱动力矩图
量为 5 000 kg。
3 仿真结果及分析
图 2 滚轮和滚轮轴结构图
平移载车 架 在 水 平 方 向、竖 直 方 向 的 加 速 度、 速度曲线如图 4 ～ 图 11 所示，共受力情况如图 12 ～ 图 15 所示。
王永娟 龙泽伦
（ 南京理工大学机械工程学院，南京 210094）
摘 要 为了驱动某重型平移机械，设计了两种机构———齿轮齿条机构和螺旋传动机构———作为驱动机构。为了精确地描
述和比较两种机构的运动情况，分别建立其动力学模型，分析它们的受力情况和运动规律。并研究了前者受力波动的原因。
结果表明： 螺旋传动机构运行更平稳，符合设计要求。
图 4 水平方向的加速度曲线图（ 齿轮齿条）
图 5 水平方向的加速度曲线图（ 螺旋传动）
（ 1） 水平方向上，两种方案的加速度基本相等， 螺旋传动机构的水平加速度曲线更加光滑一些； 两 种方案的水平速度都很平稳。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ6 期
王永娟，等： 齿轮齿条和螺旋传动机构的分析与比较
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图 6 水平方向的速度曲线图（ 齿轮齿条）
图 1a 平移载车架结构图（ 齿轮齿条）
2012 年 8 月 10 日收到 第一作者简介： 王永 娟，女。南京 理工大学机械工程学院副教 授。 博士。E-mail： 282541647@ qq． com。
图 1b 平移载车架结构图（ 螺旋传动）
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科学技术与工程
1. 3 滚轮轴的结构 在竖直方 向 上，平 移 滚 轮 和 轨 道 接 触，同 时 平
梁和 2 根长度 3 100 mm 的纵梁用高强度螺栓连接 而成，接头处再用加强筋和加强板加固。横梁上安 装有 4 个轴承座，平移轴通过圆柱滚子轴承安装在 4 个轴承座里。平移电机经减速器后，通过平移轴 带动平移齿轮旋转。平移齿轮和平移齿条配合，驱 动载车架沿水平方向运动。整个平移载车架总质 量为 5 000 kg，其重力完全由 4 个平移滚轮承担。
平移滚轮与专用的平移轨道配合，确保载车架沿水 平方向平稳运行［3］。具体结构如图 1a。 1. 2 螺旋传动驱动机构
平移电机经减速器后，通过传动轴将动力传递 到换向锥齿轮箱，再驱动传动螺杆旋转。传动螺杆 和传动螺母配合，产生水平推力驱动载车架沿水平 方向运动。具体结构如图 1b。
1 方案设计
1. 1 齿轮齿条驱动机构 平移载车架的底架由 2 根长度 5 600 mm 的横
第 12 卷 第 36 期 2012 年 12 月 1671—1815（ 2012） 36-9963-05
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol. 12 No. 36 Dec． 2012 2012 Sci. Tech. Engrg.
齿轮齿条和螺旋传动机构的分析与比较
驱动力矩函数为： STEP （ time，0. 05，0，0. 1，－ 70 000 ） + STEP （ time，0. 15，0，0. 18，－ 240 000） + STEP（ time，0. 18， 0，0. 24，－ 73 000 ） + STEP （ time，0. 8，0，0. 9， 310 000） + STEP（ time，0. 9，0，0. 95，10 000） + STEP （ time，3. 05，0，3. 1，70 000 ） + STEP （ time，3. 1，0， 3. 3，270 000） + STEP（ time，3. 7，0，3. 8，－ 240 000） + STEP（ time，3. 9，0，3. 93，－ 27 000） 。 其中，平移载车架净质量为 1 200 kg，升降载车 架质量为 1 000 kg，汽车质量为 1 800 kg，起重传动 部分质量为 1 000 kg。仿真过程中，整个系统总质
图 12 齿轮齿条的接触副沿水平方向受力图 Fx
从图中可以看出，螺旋传动的接触副在水平方 向受力更加平稳。
从图中可以看出，螺旋传动的接触副在竖直方 向受力小得多。
采用额定功率 7. 5 kW，转速 1 500 r / min 的变 频交流电机，可以平滑地启动。传动系统为电机驱 动减速器，减 速 器 带 动 齿 轮 轴 与 齿 条 啮 合，驱 动 平 移载车架运动。减速比 1∶ 20。
2 仿真参数设置
该模型模 仿 真 实 工 况，电 机 采 用 变 频 器 控 制。 在启动阶段、稳 定 运 行 阶 段 以 及 减 速 停 车 阶 段，电 机输出力矩均由程序控制。电机通过减速器传递 到齿轮轴上的驱动力矩如图 3。