韓文武， 樊愿華， 倪禹隆， 楊振， 王躍飛

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009）

一種剪叉式運(yùn)動(dòng)骨架設(shè)計(jì)

韓文武， 樊愿華， 倪禹隆， 楊振， 王躍飛

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009）

隨著汽車保有量的不斷增加，當(dāng)前實(shí)體車庫(kù)緊缺，為了滿足日益增長(zhǎng)的汽車對(duì)于車庫(kù)使用的需求。從節(jié)約占地面積、防護(hù)汽車、提高便利性以及防盜等方面出發(fā)，文中介紹一種可用于折疊車位庫(kù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)骨架，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制折疊車位庫(kù)。改善了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高了傳動(dòng)效率，減少了汽車遭受沙塵雨雪及風(fēng)吹日曬的侵襲，一定程度緩解車庫(kù)緊張問(wèn)題。

剪叉式結(jié)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)骨架；折疊車位庫(kù)；設(shè)計(jì)

0 引 言

近年來(lái)汽車保有量增長(zhǎng)迅速，導(dǎo)致普遍存在著車庫(kù)緊張的問(wèn)題，許多車輛露天停放，經(jīng)過(guò)沙塵冰雪的襲擊和日曬雨淋的侵襲，增加汽車的洗刷頻率以及降低其使用壽命。

自動(dòng)化折疊車位庫(kù)，采用露天車位與汽車帳篷相結(jié)合的方法，彌補(bǔ)了露天停車和汽車篷布的缺點(diǎn)，具有可移動(dòng)性和折疊性，其主體采用可折疊運(yùn)動(dòng)骨架結(jié)構(gòu)，成本低，泊車方便。展開時(shí)完全將汽車遮蓋住，對(duì)汽車起到很好的防護(hù)作用，收縮后可放置于箱體中，節(jié)約空間，一定程度上又能緩解車庫(kù)緊張問(wèn)題。本文提出一種適用于折疊車位庫(kù)的運(yùn)動(dòng)骨架系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化伸縮，如圖1所示。

1 技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

本文主要介紹一種應(yīng)用于自動(dòng)化折疊車位庫(kù)的剪叉式運(yùn)動(dòng)骨架系統(tǒng)，以下從減小摩擦損耗，改善運(yùn)行平穩(wěn)性、協(xié)調(diào)性以及安全性等方面出發(fā)提出改進(jìn)措施。

圖1 剪叉式運(yùn)動(dòng)骨架應(yīng)用示意圖

1.1 降低工作中摩擦損耗的措施

車位庫(kù)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收縮和伸展，必須通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制相關(guān)骨架實(shí)現(xiàn)伸縮或折疊。在骨架實(shí)現(xiàn)收展過(guò)程中，總會(huì)產(chǎn)生零部件之間相互接觸運(yùn)動(dòng)的情況，這一過(guò)程會(huì)伴隨著摩擦力的產(chǎn)生，促使整個(gè)系統(tǒng)的能量損耗，收放效率大大降低，并且不利于整個(gè)車位庫(kù)的收縮和伸展運(yùn)動(dòng)。

為了減小收展過(guò)程中的摩擦力，減少能耗，改零部件之間的面接觸為點(diǎn)/線接觸，例如：兩剪叉臂活動(dòng)鉸接端與立桿之間接觸運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)在活動(dòng)鉸接端安裝皮輪，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)/線接觸運(yùn)動(dòng)。伸縮骨架的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以使用滾珠絲杠副替代螺桿螺母副，伸縮骨架底部采用輪軌式移動(dòng)，既能減小摩擦也能提高導(dǎo)向精度與重復(fù)定位精度。此外，也可采用摩擦因數(shù)較低的材料，如石墨材料等。

1.2 改善運(yùn)行平穩(wěn)性及協(xié)調(diào)性的措施

折疊車位庫(kù)收展可采用分段式運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行速率較快，占用空間較小，易于設(shè)計(jì)成流線型，提高其穩(wěn)定性。但實(shí)現(xiàn)分段運(yùn)動(dòng)過(guò)程應(yīng)保證其協(xié)調(diào)性，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)具有較高的承載能力和強(qiáng)度，以達(dá)到傳動(dòng)的連續(xù)和平穩(wěn)要求，而且系統(tǒng)對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有一定的沖擊性，因而傳動(dòng)過(guò)程中應(yīng)有必要的緩沖措施。例如，折疊結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為繩索傳動(dòng)，伸縮骨架可設(shè)計(jì)為螺桿螺母?jìng)鲃?dòng)，并安裝鎖定與緩沖裝置以保證傳動(dòng)的連續(xù)和平穩(wěn)性。

1.3 提高車位庫(kù)安全性的措施

車位庫(kù)頻繁收展，要求膜布隨運(yùn)動(dòng)骨架有一定的展開規(guī)律，避免由于多次運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致膜布的任意折痕降低膜布的使用壽命。為了保證膜布的展開具有規(guī)律性，要求帶動(dòng)其展開的骨架數(shù)量有一定的上限，并且骨架運(yùn)動(dòng)速度有一定的穩(wěn)定性，避免速度不均產(chǎn)生的拉扯膜布的現(xiàn)象。也可將膜布設(shè)計(jì)如百葉窗式的葉片結(jié)構(gòu)，另外，運(yùn)動(dòng)骨架和膜布本身也要求有很好的韌性與強(qiáng)度，有一定的抗沖擊性，提高車位庫(kù)安全性。

2 剪叉式運(yùn)動(dòng)骨架系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

剪叉式運(yùn)動(dòng)骨架系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括驅(qū)動(dòng)剪叉式骨架的左右牙雙向滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，剪叉式伸縮骨架結(jié)構(gòu)以及引導(dǎo)其收展的輪軌。該運(yùn)動(dòng)骨架系統(tǒng)配合使用可應(yīng)用于自動(dòng)化折疊車位庫(kù)，提高其收展效率，節(jié)約空間，增加平穩(wěn)性。

2.1 伸縮骨架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

伸縮骨架系統(tǒng)采用剪叉式運(yùn)動(dòng)骨架結(jié)構(gòu)，包括兩交叉設(shè)置的交叉臂與立桿總成，如圖2所示。立桿總成由主立桿，若干移動(dòng)立桿，滾動(dòng)軸承及彈性限位塊構(gòu)成，立桿一側(cè)面均設(shè)置導(dǎo)程槽，滾動(dòng)軸承可滾動(dòng)置于槽內(nèi)，沿豎直方向移動(dòng)，并且設(shè)有限位塊，剪叉式伸縮結(jié)構(gòu)應(yīng)用時(shí)位于車位庫(kù)兩側(cè)，導(dǎo)程槽開口相對(duì)。兩交叉臂中間部位通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸鉸接，其中一交叉臂的一端與滾動(dòng)軸承同軸線可轉(zhuǎn)動(dòng)連接，另一端與立桿中部鉸接。

主立桿固接于車位庫(kù)支架上，其槽內(nèi)滾動(dòng)軸承實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)做剪叉式運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)若干副立桿收縮與舒展。副立桿底部裝有滑輪在主立桿和交叉臂驅(qū)動(dòng)下做水平運(yùn)動(dòng)，其槽內(nèi)滾動(dòng)軸承上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)沿弧向的合成運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可將其設(shè)計(jì)成雙剪叉式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

圖2 剪叉式伸縮結(jié)構(gòu)爆炸圖

2.2 運(yùn)動(dòng)骨架系統(tǒng)的輪軌設(shè)計(jì)

剪叉式運(yùn)動(dòng)骨架系統(tǒng)中各個(gè)移動(dòng)立桿底部安裝滑輪，并與地面上導(dǎo)軌滑動(dòng)配合，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。輪軌采用如圖4所示截面形狀，兩滑輪卡在輪軌槽底面凸起兩側(cè)，骨架系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)約束了滑輪水平方向移動(dòng)，防止其與輪軌槽兩端面碰撞，有效減小運(yùn)動(dòng)的沖擊。輪軌設(shè)計(jì)成凹型，在收展運(yùn)行狀態(tài)下可以有效避免滑輪跳出軌道，限制了其上下跳動(dòng)。收攏時(shí)兩輪接觸部位裝有彈性擋圈，可有效減小沖擊，提高了運(yùn)行平穩(wěn)性、精度及安全性。

圖3 輪軌配合示意圖

圖4 輪軌截面圖

2.3 剪叉式伸縮結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

左右牙雙向滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是剪叉式伸縮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所采用的主要傳動(dòng)方式，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)減速裝置驅(qū)動(dòng)其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整體骨架運(yùn)動(dòng)。

雙向滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由一左右牙雙向滾珠絲杠、兩配合的滾珠絲杠螺母、一對(duì)用于收展的傳動(dòng)支架以及沿絲杠方向的直線導(dǎo)軌構(gòu)成。電動(dòng)機(jī)輸出軸經(jīng)減速裝置與雙向滾珠絲杠傳動(dòng)連接，滾珠絲杠兩段螺紋段位于兩邊且旋向相反，兩配合滾珠螺母分別與絲杠的兩段螺紋相嚙合，其中一對(duì)傳動(dòng)支架的一端與兩滾珠螺母剛性連接。滾珠螺母的旋轉(zhuǎn)方向被直線導(dǎo)軌所約束，實(shí)現(xiàn)其直線運(yùn)動(dòng)。

剪叉式伸縮結(jié)構(gòu)主立桿內(nèi)滾動(dòng)軸承與傳動(dòng)支架的另一端剛性固接，所需兩副雙段滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)，雙向滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)軌導(dǎo)向下限制其沿螺旋方向轉(zhuǎn)動(dòng)，只能帶動(dòng)兩滾珠螺母相對(duì)或相向移動(dòng)。

2.4 剪叉式運(yùn)動(dòng)骨架系統(tǒng)的工作方式

運(yùn)動(dòng)骨架系統(tǒng)展開方式：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)左右牙雙向滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，其配合的滾珠絲杠螺母沿相反方向移動(dòng)，相連接的傳動(dòng)支架推動(dòng)主立桿內(nèi)滾動(dòng)軸承沿預(yù)定直線方向在導(dǎo)程槽中移動(dòng)一段距離，其他副立桿經(jīng)交叉臂驅(qū)動(dòng)也依次沿著預(yù)定水平直線軌跡方向移動(dòng)至運(yùn)動(dòng)骨架系統(tǒng)完全展開，置于運(yùn)動(dòng)骨架上的膜布也完全舒展。

運(yùn)動(dòng)骨架系統(tǒng)收起方式：電動(dòng)機(jī)反向驅(qū)動(dòng)左右牙雙向滾珠絲杠，雙向滾珠絲杠反向轉(zhuǎn)動(dòng)，配合的滾珠絲杠螺母相向移動(dòng)，在傳動(dòng)支架的推動(dòng)和交叉臂的剪叉式作用下副移動(dòng)立桿收縮，完全收縮后運(yùn)動(dòng)骨架系統(tǒng)可置于箱體中。

3 主要機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

考慮到剪叉式運(yùn)動(dòng)骨架系統(tǒng)應(yīng)用于折疊車位庫(kù)，其實(shí)物體積過(guò)大，制作加工不方便，不利于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以下機(jī)械結(jié)構(gòu)均為1:5進(jìn)行縮放后的設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.1 左右牙雙向滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

滾珠絲杠副的軸向變形易引起絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響定位精度和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形，絲杠與螺母之間滾道的接觸變形等。

1）設(shè)計(jì)參數(shù)。左右牙雙向滾珠絲杠螺母副可選擇1002型，絲杠最大工作載荷Fm，絲杠兩端支承間的距離a，絲杠材料的彈性模量E，絲杠底徑d，慣性矩I。則絲杠拉伸或壓縮變形量：δ1=Fma/（ES）；查閱產(chǎn)品資料知滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2；于是總變形量δ=δ1+δ2應(yīng)滿足設(shè)計(jì)精度。

2）穩(wěn)定性校核。滾珠絲杠屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，軸向負(fù)載過(guò)大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。絲杠失穩(wěn)臨界載荷:

考慮左右牙雙向滾珠絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩配合的滾珠螺母相對(duì)或相反移動(dòng)，承受的軸向力沿軸向方向，且方向相反，一定程度上抵消了一部分軸向力影響，傳動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，噪聲小，傳動(dòng)效率高。

3.2 剪叉式運(yùn)動(dòng)骨架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

滾珠絲杠螺母通過(guò)傳動(dòng)支架與A點(diǎn)剛性連接，A點(diǎn)所在的連接桿與豎直方向夾角θ呈20°，如圖5所示。取移動(dòng)副立桿1上的銷釘B為動(dòng)點(diǎn)（如圖6所示），動(dòng)系與移動(dòng)副立桿固結(jié)，則相對(duì)運(yùn)動(dòng)Vr是沿導(dǎo)程槽方向的運(yùn)動(dòng)，絕對(duì)運(yùn)動(dòng)Va是繞C點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，牽連運(yùn)動(dòng)Ve是水平運(yùn)動(dòng)。則：Vr·cos（90°-θ）=Ve·cosθ，即Vr=Ve·cotθ。

圖5 剪叉式結(jié)構(gòu)局部圖

圖6 B點(diǎn)速度合成圖

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的需要，通過(guò)上述運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單分析配合選用的電動(dòng)機(jī)以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以設(shè)計(jì)相應(yīng)立桿的長(zhǎng)度，計(jì)算出符合要求的速度。另外，也可以對(duì)工作過(guò)程中的骨架進(jìn)行仿真結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)，選擇相應(yīng)材料，增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文提出了一種剪叉式運(yùn)動(dòng)骨架系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，介紹其適用于自動(dòng)化折疊車位庫(kù)，可以滿足折疊車位庫(kù)市場(chǎng)需求，一定程度上解決目前已有折疊車位庫(kù)結(jié)構(gòu)的不足。設(shè)計(jì)中通過(guò)驅(qū)動(dòng)左右牙雙向滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)剪叉式骨架結(jié)構(gòu)伸縮，減小了車位庫(kù)的體積和實(shí)體車庫(kù)的占地面積，改善了運(yùn)動(dòng)骨架結(jié)構(gòu)，提高了平穩(wěn)性，加快了收展的運(yùn)行速率。另外，剪叉式運(yùn)動(dòng)骨架系統(tǒng)還可適用于自卸車、吊斗車以及貨車等篷布收展結(jié)構(gòu)骨架中，簡(jiǎn)單方便，應(yīng)用廣泛，實(shí)用前景廣闊。

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Design of a Scissor-type Motion Skeleton

HAN Wenwu,FAN Yuanhua,NI Yulong,YANG Zhen,WANG Yuefei
（School ofMechanical Engineering,Hefei UniversityofTechnology,Hefei 230009,China）

With the increase of car ownership,the current garage is scarce.In order to meet the growing demand for garage use,this paper introduces a kind of sports skeleton that can be used for folding garage structure system,and realizes the automatic control of the folding garage from the aspects of savings area,protecting cars,improving convenience and security,etc.The new sports skeleton improves the structural stability and enhances the transmission efficiency.It can protect the car from dust,rain,wind and sun attack and ease the garage tension to some extent.

scissor structure,motion skeleton,folding garage,design

TH 122

A

1002－2333（2018）01－0099－03

合肥工業(yè)大學(xué)2015年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（201510359009）

（編輯黃 荻）

韓文武（1994—），男，在讀本科生，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)。

2017-03-30