鐘燕,楊瑩,鄒智恒,向昊南,李林

(湖南文理學(xué)院 機械工程學(xué)院,湖南 常德,415000)

隨著私家車數(shù)量逐年上升,車位缺口越來越大。為解決這個問題,市場上出現(xiàn)了各種類型的立體車庫,如陳鋒[1]設(shè)計的高層升降橫移式立體車庫,升降機構(gòu)采用電機卷筒和鋼絲繩牽引,鋼絲繩容易斷裂,發(fā)生傾斜墜落的危險,安全穩(wěn)定性不高;李麗等[2]設(shè)計的垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫,雖然提高了空間利用率,但整個設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、承載能力低;林創(chuàng)挺等[3]設(shè)計的摩天輪式小型車庫,裝置結(jié)構(gòu)簡單,但是由于其摩天輪式的特殊結(jié)構(gòu),容易在外力下擺動,結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定;如吳碧金[4]等設(shè)計的橋式雙層無避讓立體停車設(shè)備,雖然設(shè)備簡單、成本低,但是耗能大,而且對支撐結(jié)構(gòu)的強度剛度要求高,場地適用性低;如張向紅[5]設(shè)計的升降子母機式立體車庫,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差,且桿長過長,不適用于路側(cè)車位安裝,適用范圍小。

綜上,這些立體車庫大多存在結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、適應(yīng)范圍小以及能耗大等問題。因此,本文介紹了一款新型家用轎車停車裝置。該裝置具有上下2個停車位,可以在原有車位增設(shè)該裝置,實現(xiàn)一個車位停2輛車,大大提高了空間利用率。

1 總體方案設(shè)計

家用轎車停車裝置主要實現(xiàn)存車、取車這兩大功能。根據(jù)功能要求,該裝置由車架主體、車板升降系統(tǒng)、車板回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4部組成[6]。其功能圖如圖1所示,其整體裝配圖如圖2所示。

圖1 功能圖

圖2 整體裝配圖

2 工作原理

2.1 車架主體

車架主體是整個裝置的主要受力結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)合理性對于裝置的受力性能好壞十分重要。因此,將車架結(jié)構(gòu)設(shè)計為一對稱布置的直角梯形結(jié)構(gòu),并在其內(nèi)側(cè)開槽,作為鏈條的布置軌道,而支撐板與鏈條連接。當鏈條運動時,便可帶動支撐板運動,通過對車架導(dǎo)軌尺寸的精確設(shè)計,確保支撐板作升降平移運動。

圖3 五桿機構(gòu)

2.2 車板升降系統(tǒng)

車板升降系統(tǒng)由電機、圓錐齒輪機構(gòu)、鏈輪鏈條機構(gòu)以及具有限位功能的五桿機構(gòu)等組成。由于導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)過精確的設(shè)計,故支撐板在鏈條以及五桿機構(gòu)作用下作升降平移運動,從而保證存取車過程的安全性以及穩(wěn)定性。

上述方案中,五連桿機構(gòu)的自由度大于1,桿1作為原動件,由支撐板、鏈板連接件以及鏈條組成。由于原動件的數(shù)目為 1[7],具有運動的不確定性,為了保證同一時間四根連桿只有一根轉(zhuǎn)動,特別設(shè)置了限位結(jié)構(gòu)。其中桿3的結(jié)構(gòu)具有限位作用,它使桿2只能在0～30°內(nèi)旋轉(zhuǎn),桿3在0～30°內(nèi)旋轉(zhuǎn),而桿4的轉(zhuǎn)動角度為0～90°。五桿機構(gòu)運動簡圖如圖3所示,桿3的三維結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 車板回轉(zhuǎn)系統(tǒng)

考慮到大多數(shù)住宅小區(qū)以及公共場所車位均為非字形停車位,為提高裝置的場地適應(yīng)性,本裝置特增設(shè)了車板回轉(zhuǎn)系統(tǒng),主要由電機、圓錐齒輪機構(gòu)等組成,可以實現(xiàn)載車板的回轉(zhuǎn)運動。該設(shè)備易拆裝可移動,且電轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)角度可以人為控制,幾乎可以適應(yīng)所有類型的停車位。

圖4 限位連桿三維圖

2.4 控制系統(tǒng)

由于單片機集成度高、體積小、有很高的可靠性[8],控制部分采用AT89C51單片機與L298N直流電機驅(qū)動模塊來控制直流電機,控制電路設(shè)計包括硬件電路設(shè)計和軟件編程設(shè)計兩部分。硬件部分,電機驅(qū)動端口線路連接以及使能端控制可以實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn);軟件編程部分,用C語言編寫電機各功能指令用程序,再通過燒錄軟件寫入單片機中即可?？刂葡到y(tǒng)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)

3 相關(guān)分析計算

3.1 車架有限元分析

車架材料選取45鋼,其許用彎曲應(yīng)力[σ-1]=60 MPa。由于車架是整個裝置的主要受力結(jié)構(gòu),首先對其進行強度校核至關(guān)重要,三維模型采用Solidworks建模,然后導(dǎo)入ANSYS中進行網(wǎng)格劃分[9],再通過材料設(shè)置、載荷約束設(shè)置等操作進行求解,看車架最危險點的應(yīng)力應(yīng)變是否超過許用范圍。車架的網(wǎng)格單元劃分如圖6所示。圖7為位車架應(yīng)力圖。由圖7可知,最大應(yīng)力為σ=56 Mpa＜[σ-1]=60 MPa,說明車架的強度是合格的。由圖8可知,車架變形最大地方為紅色部分,其最大應(yīng)變量為4.4 mm,相對而言車架的變形可以忽略不計。圖9為車架最危險點的局部放大圖。由圖9可知,通過對車架最危險點的應(yīng)力分析,發(fā)現(xiàn)最危險點所承受的最大應(yīng)力小于材料的許用彎曲應(yīng)力,所以材料的選擇以及尺寸設(shè)計是合適的。

圖6 車架網(wǎng)格單元劃分

圖7 車架應(yīng)力圖

圖8 車架應(yīng)變圖

圖9 車架最危險點的局部放大圖

3.2 載車板強度校核

根據(jù)一般家用汽車輪廓大小以及車庫大小,載車板尺寸設(shè)計為長4.8 m、寬3.3 m、厚0.02 m,載車板的材料為Q235鋼材,其許用彎曲應(yīng)力為[σ-1]=158 MPa。根據(jù)家用轎車的重量,設(shè)計車輛最大載荷F=3 600 kg。載車板的受力示意圖如圖10所示。F1、F2分別為汽車前輪、后輪對載車板的壓力,且F1=F2=F/2=1.8×104N。根據(jù)合力為0以及總彎矩為0,即ΣM=F1×800+F2×(2 800+800)-RB× 4 800=0,ΣF=RA+RB- F1-F2=0,求得支座反力RA=RB=1.8×104N。由于載車板受力是對稱布置的,則最大彎矩Mmax=RA×800=14.4 kN·m。由文獻[10]得到相關(guān)計算校核公式。

① 彎曲應(yīng)力

② 抗彎截面系數(shù)

式中：b為矩形截面寬度,mm;h為矩形截面高度,mm。

圖10 載車板的受力示意圖(單位：mm)

將截面的寬度與高度代入式(2),W=(3 300×20×20)/6=220 000 m3;將彎矩、抗彎截面系數(shù)代入式(1),得σ=65.45 MPa＜[σ-1],強度合格。

4 結(jié)論

該裝置可以實現(xiàn)一位兩車式全自動化存取車,從而有效緩解如今由車位缺口大帶來的一系列停車問題,具有很好的市場前景。

(1)該裝置主要由4大系統(tǒng)組成。其中車板升降系統(tǒng)與車板回轉(zhuǎn)系統(tǒng)共同作用可實現(xiàn)存取車的功能,控制系統(tǒng)則保證存取車過程的全自動化。整個裝置的動力均由電機提供。

(2)車板升降系統(tǒng)中采用了五桿機構(gòu),并增設(shè)了一限位結(jié)構(gòu),可以限制連桿旋轉(zhuǎn)的角度以及位移,使桿2只能在0°～30°內(nèi)旋轉(zhuǎn),桿3在0°～30°內(nèi)旋轉(zhuǎn),而桿4的轉(zhuǎn)動角度為0°～90°,保證同一時間只有一根桿件在運動,從而保證運動的準確性。

(3)通過ansys軟件對車架進行應(yīng)力分析,將車架主體在最危險點的應(yīng)力大小與材料的許用應(yīng)力比較,確保車架在使用過程中是安全可靠的;通過對載車板進行受力分析與強度計算,也可得出載車板設(shè)計以及材料的選取是合理的。