王雨生 趙建軍 董方晨

摘 ?要：設(shè)計(jì)了一款升降旋轉(zhuǎn)式的立體車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)，使用Unigraphics NX將其進(jìn)行參數(shù)化的三維建模，預(yù)估其使用方式及運(yùn)動(dòng)路徑，并通過(guò)對(duì)于不同固定方式的情況進(jìn)行了靜力學(xué)分析，從而確定了其運(yùn)動(dòng)情況。又對(duì)模型進(jìn)行了模態(tài)分析，得出車(chē)庫(kù)的正常工作環(huán)境以及在某特定環(huán)境下的最大變形量。

關(guān)鍵詞：升降旋轉(zhuǎn);立體車(chē)庫(kù);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);Unigraphics NX

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）01-0053-03

Abstract： A three-dimensional garage structure is designed.Use the Unigraphics NX to parameterize the three-dimensional modeling and predict the use mode and motion path.And then determine the motion situation by the static analysis of different fixed modes. Finally the modal analysis of the model is carried out， obtained the normal working environment of the garage and the maximum deformation under a specific environment.

Keywords： lifting and rotating; three-dimensional garage; structural design; Unigraphics NX

前言

近年來(lái)，隨著生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，人們的生活水平不斷提高。汽車(chē)的持有量和使用量節(jié)節(jié)攀升，導(dǎo)致道路更加擁堵，與此同時(shí)，汽車(chē)的停放空間不斷減少，已經(jīng)成為社會(huì)中亟待解決的問(wèn)題之一。目前，我國(guó)立體車(chē)庫(kù)的技術(shù)還在發(fā)展階段，其平面露天式的車(chē)庫(kù)相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家的立體車(chē)庫(kù)還具有不小的差距[1]。而現(xiàn)在市場(chǎng)上雖有已投入使用的立體車(chē)庫(kù)，但都有其難以忽視的缺點(diǎn)[2]。

隨著社會(huì)生活越來(lái)越依賴汽車(chē)，只有不斷對(duì)停車(chē)裝置進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)才能適應(yīng)社會(huì)的快速發(fā)展[2]。現(xiàn)有車(chē)庫(kù)雖類(lèi)型較多，但一般存在穩(wěn)定性低下、立體車(chē)庫(kù)無(wú)法大范圍推廣、存取效率低等問(wèn)題。本課題通過(guò)使用升降旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)建了一種新型立體車(chē)庫(kù)，并從多角度探究其穩(wěn)定性、存取效率等實(shí)際問(wèn)題。根據(jù)分析可知，該車(chē)庫(kù)解決了其他車(chē)庫(kù)存在的部分問(wèn)題和隱患，具有體積小，占地面積小，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，停取車(chē)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，且該類(lèi)立體車(chē)庫(kù)制造成本低，適用于車(chē)站、醫(yī)院、公園、小區(qū)等各類(lèi)公共場(chǎng)所。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)思路

目前國(guó)內(nèi)機(jī)械式立體車(chē)庫(kù)的主要庫(kù)型為升降橫移式立體車(chē)庫(kù)，此款車(chē)庫(kù)存在著取車(chē)時(shí)間較長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低、環(huán)境適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)結(jié)合此庫(kù)型的缺點(diǎn)進(jìn)行了重新規(guī)劃和設(shè)計(jì)，目標(biāo)為探尋更優(yōu)秀的互補(bǔ)庫(kù)型。

具體設(shè)計(jì)目標(biāo)為以下三點(diǎn)：

（1）進(jìn)一步縮短地上面積的使用空間，可通過(guò)地上地下車(chē)庫(kù)的嵌套模式來(lái)擴(kuò)大使用面積。

（2）傳動(dòng)路線簡(jiǎn)潔明了，傳動(dòng)高效，減少檢修難度。

（3）前期投入成本低，有足夠的推廣價(jià)值。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該升降旋轉(zhuǎn)式立體車(chē)庫(kù)設(shè)計(jì)為三層，地上兩層，地下一層，高度約為12m，截面半徑為8m，單層載車(chē)箱為高3m，截面形狀為扇環(huán)，其中車(chē)位最低寬度為3m，長(zhǎng)度為5m。整體形狀為圓柱體，內(nèi)有旋轉(zhuǎn)軸，提供可移動(dòng)層的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。車(chē)輛存放于由載車(chē)板改進(jìn)而來(lái)的“載車(chē)箱”中，載車(chē)箱依靠中心軸上的滑鍵槽來(lái)進(jìn)行上下移動(dòng)。裝置內(nèi)可存放的車(chē)輛數(shù)為兩個(gè)完整的圓周，滿載時(shí)每層六輛車(chē)，共計(jì)可存放12輛。

三層車(chē)庫(kù)中有一層為閑置轉(zhuǎn)存層，用來(lái)保證其余兩層可以正常移動(dòng)到取車(chē)的地方。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中1為閑置轉(zhuǎn)存層，用來(lái)保證車(chē)庫(kù)具有足夠的轉(zhuǎn)移空間，2、3為存放車(chē)輛層，用來(lái)存放車(chē)輛。

1.2.1 傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)

結(jié)合車(chē)庫(kù)使用情況，傳導(dǎo)的動(dòng)力主要分為由液壓馬達(dá)提供給中心軸的轉(zhuǎn)矩和液壓千斤頂提供給頂舉件的正壓力，轉(zhuǎn)矩為液壓提供動(dòng)力使用齒輪傳導(dǎo)，正壓力則為完全的液壓傳動(dòng)。

中心軸的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力是取車(chē)過(guò)程中的主要?jiǎng)恿Γ摬糠种饕梢簤罕?、液壓馬達(dá)、齒輪組、中心軸、傳動(dòng)軸和載車(chē)箱部分構(gòu)成。其中齒輪與中心軸間為平鍵連接，中心軸與傳動(dòng)軸間為“錐滑鍵”連接，傳動(dòng)軸與載車(chē)箱間為滑鍵連接。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

液壓千斤頂?shù)奈恢檬窃谳d車(chē)箱正下方，主要由液壓泵、液壓桿和載車(chē)箱構(gòu)成。

1.2.2 載車(chē)箱的設(shè)計(jì)

出于增強(qiáng)穩(wěn)定性的考慮，本設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)車(chē)庫(kù)用載車(chē)板改進(jìn)為更加穩(wěn)定的載車(chē)箱，將每一個(gè)“車(chē)位”進(jìn)行模塊化，且與中心軸間使用滑鍵連接，保證其可以進(jìn)行上下移動(dòng)。載車(chē)箱具有厚度的“墻壁”，使得下層載車(chē)箱可以承受上層的重量，減少了中心軸上滑鍵承受的傾覆力矩，增加了使用時(shí)的可靠性。載車(chē)箱具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 力學(xué)模型分析

2.1 運(yùn)行原理

空間結(jié)構(gòu)上來(lái)分析，對(duì)于載車(chē)箱的運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，閑置轉(zhuǎn)存層用來(lái)為車(chē)庫(kù)的垂直移動(dòng)提供足夠的空間，空出一個(gè)載車(chē)箱單位高度的空間，便于進(jìn)行移動(dòng)。而在圖1中的2層內(nèi)的軸可以為一整層的車(chē)庫(kù)提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。

運(yùn)行分兩個(gè)方面進(jìn)行討論：上下移動(dòng)的滑動(dòng)和中心軸帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)上下移動(dòng)：載車(chē)箱的上下移動(dòng)主要依靠于其與中心軸間的滑鍵連接，在車(chē)庫(kù)底端設(shè)置有液壓千斤頂提供動(dòng)力。

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：將中間一層車(chē)庫(kù)固定在中心軸上，通過(guò)上方使用重載用液壓馬達(dá)通過(guò)齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

為了增加穩(wěn)定性，車(chē)庫(kù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只支持中段車(chē)庫(kù)移動(dòng)。且旋轉(zhuǎn)的優(yōu)先級(jí)低于上下移動(dòng)。

2.2 傳力路徑

車(chē)庫(kù)除設(shè)備外的主要受力為存放車(chē)輛的靜載荷，力的傳輸順序看起來(lái)是由載車(chē)箱開(kāi)始依次傳遞到中心軸上，實(shí)際上由于載車(chē)箱的改良，理論上在車(chē)庫(kù)靜止?fàn)顟B(tài)下的受力會(huì)由下方的底層載車(chē)箱和千斤頂?shù)牡鬃惺埽⒉粫?huì)傳導(dǎo)到中心軸上。故對(duì)于傳動(dòng)軸上的滑鍵連接來(lái)說(shuō)，減少了承受的傾覆力矩，提高了穩(wěn)定性。

車(chē)庫(kù)在上下移動(dòng)時(shí)，受力方式與靜止時(shí)相似。故將旋轉(zhuǎn)工況與升降工況分開(kāi)討論。車(chē)庫(kù)在旋轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)力傳輸由上端液壓馬達(dá)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)齒輪、中心軸及傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳導(dǎo)到車(chē)庫(kù)上。對(duì)于車(chē)輛的負(fù)載，對(duì)于傳動(dòng)軸的滑鍵來(lái)說(shuō)，在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)承受一個(gè)離心力的作用，且與負(fù)載有關(guān)。而其圓周力會(huì)因?yàn)檩d車(chē)箱的結(jié)構(gòu)而減輕其強(qiáng)度，起到了保護(hù)滑鍵的作用。

3 ANSYS靜力學(xué)分析

考慮到需要證實(shí)車(chē)庫(kù)的穩(wěn)定性，故而用ANSYS對(duì)車(chē)庫(kù)的模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，使得車(chē)庫(kù)在滿庫(kù)狀態(tài)下?lián)碛凶銐虻姆€(wěn)定性。在此將研究目標(biāo)設(shè)為單個(gè)載車(chē)箱。

3.1 最大變形量

將載車(chē)箱的三維模型文件導(dǎo)入ANSYS。設(shè)置滑鍵為固定面，網(wǎng)格為自動(dòng)劃分。每個(gè)載車(chē)箱的底板承受25000N的力。得出的最終變形量如圖4所示。

如圖4所示，在25000N的力下，載車(chē)箱的最大變形量為0.0273mm，符合立體車(chē)庫(kù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。本課題所設(shè)計(jì)的載車(chē)箱底部固定為三側(cè)固定與底面疊加，而車(chē)輛一般放置于載車(chē)箱的中部位置而不是外側(cè)，故將底面疊加的狀態(tài)近似假設(shè)為外圍輪廓不變，查看其可能的變形。

固定載車(chē)箱的外輪廓在Z軸上的移動(dòng)。得出最終變形量如圖5所示。

如圖5所示，在約束了車(chē)庫(kù)的外輪廓后，變形量由0.0273mm變?yōu)?.0045mm，銳減至原來(lái)的百分之五。故垂直爬升裝置選擇使用可以進(jìn)行底部支撐的千斤頂以減少底部變形。

且采用力疊加的結(jié)構(gòu)模式，變形量會(huì)小于邊緣約束。故而得出變形量在0.0273mm以下。符合立體車(chē)庫(kù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[3]。

3.2 模態(tài)分析

為了得出車(chē)庫(kù)最佳的工作環(huán)境，對(duì)車(chē)庫(kù)整體進(jìn)行模態(tài)分析，得出車(chē)庫(kù)可能發(fā)生共振的頻率。

在實(shí)際工作中，將盡量避免在此頻率下工作，防止產(chǎn)生共振。具體模態(tài)分析結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

分析結(jié)果表明，車(chē)庫(kù)的使用環(huán)境要求頻率范圍在5.7109～11.579Hz。使用時(shí)應(yīng)避開(kāi)此頻率范圍。其中1階、6階的固有頻率為5.7109Hz與11.579Hz，主要表現(xiàn)模式為扭曲狀。變形量約為0.0040mm。2-5階的固有頻率在5.7918～7.0119Hz分布。主要表達(dá)形式為整體傾斜，變形量為0.0040～0.0046mm。由分析結(jié)果可知，車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)較為合理，符合車(chē)庫(kù)設(shè)計(jì)的要求[3]。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)現(xiàn)有車(chē)庫(kù)存在的問(wèn)題，進(jìn)行整理分析，設(shè)計(jì)出新型的升降旋轉(zhuǎn)式立體車(chē)庫(kù)形式，并使用Unigraphics NX進(jìn)行參數(shù)化的三維建模。

（2）討論了新型升降旋轉(zhuǎn)式立體車(chē)庫(kù)的力傳導(dǎo)方式與驅(qū)動(dòng)方式。

（3）通過(guò)ANSYS對(duì)升降旋轉(zhuǎn)式立體車(chē)庫(kù)的靜態(tài)受力、震動(dòng)模態(tài)進(jìn)行了有限元分析，得出新型車(chē)庫(kù)的工作頻率為5.71～11.57Hz，最大變形量為0.0273mm的結(jié)論，從而驗(yàn)證了車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化了傳力路徑、改進(jìn)了整體結(jié)構(gòu)。

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