楊 航，朱建華，黃 文，何建國，張?jiān)骑w

（1.遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州 遵義 563006；2.中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，車輛的使用頻率與數(shù)量越來越多。目前城市中各類小區(qū)與商場(chǎng)對(duì)停車的需求越來越高[1-5]，人們想獲得一種穩(wěn)定可靠的停車系統(tǒng)與停車方式。在這種背景下，立體停車系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。目前主流的停車系統(tǒng)主要有立體式和綜合式2大類[6-8]。立體式停車系統(tǒng)可以把車輛從較低的位置抬升到較高的位置，從而高效利用土地；而綜合式大型車庫主要用于商場(chǎng)等場(chǎng)合[9-10]，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的智能化管理、停放和取用。一般而言，大型綜合停車系統(tǒng)都采用比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)[11-13]，引入更多的智能化操作，使車輛的停放更加智能和便捷。立體停車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)榻?jīng)濟(jì)成本原因，其結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)可靠[14]。立體停車系統(tǒng)綜合運(yùn)用機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，使智能化便捷停車成為可能。但是由于立體停車系統(tǒng)復(fù)雜[15]，在安全性和可靠性方面存在一定的問題，所以需要進(jìn)一步建立安全穩(wěn)定的分析方法。目前停車系統(tǒng)的主要承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般都是基于經(jīng)驗(yàn)[16]，缺乏理論指導(dǎo)與分析，所以這類停車系統(tǒng)的安全系數(shù)方面存在較大隱患。

1 基于曲柄滑塊的立體停車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為解決城市小區(qū)里人們停車難的問題，實(shí)地考察小區(qū)的空間利用率、利用方式。經(jīng)過仔細(xì)研究后發(fā)現(xiàn)在停車位的上方還有一部分利用空間，無論是地下停車場(chǎng)還是露天停車場(chǎng)地都能利用這部分空間來停放車輛。設(shè)計(jì)的停車裝置還需滿足單一車輛即停即取互不影響，所以設(shè)計(jì)了一款滿足此要求的停車機(jī)械裝置，即私家車位擴(kuò)充升級(jí)停車裝置。小型私家車位擴(kuò)充停車裝置是基于偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)小型客車的升降，只是將滑塊作為主動(dòng)件，曲柄作為從動(dòng)件，如圖1所示。

圖1 停車裝置

設(shè)計(jì)時(shí)主要分析偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的行程、壓力角、受力等因素，通過MATLAB來分析確定各機(jī)構(gòu)桿件的尺寸大小、SolidWorks建模及裝配。該機(jī)械裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易加工、安裝、維修，通過鏈條傳動(dòng)帶動(dòng)滑塊往返運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)曲柄的上下?lián)u擺，具體如圖2所示。設(shè)計(jì)的停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝、體積小。

圖2 該裝置偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該裝置可利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)車輛提升，車輛由低平面向高平面提升的過程中仍可連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。從機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣控制系統(tǒng)的角度分析，該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)車輛的提升與下降，但是其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)變形抵抗能力需要進(jìn)一步進(jìn)行確認(rèn)和分析。

2 框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

經(jīng)過反復(fù)對(duì)比驗(yàn)證后，用一般鋼架結(jié)構(gòu)搭建了一個(gè)類似正方體的結(jié)構(gòu)，還安裝了導(dǎo)軌及其滑塊，安裝簡(jiǎn)單，在梁的兩端適當(dāng)位置安裝了軸承。經(jīng)過查詢和搜集大量資料，選擇了H型鋼。工字鋼和H鋼形狀相似，如圖3所示，但在應(yīng)用方面它們之間還是有很大的區(qū)別。工字鋼的外形特征決定了它的力學(xué)性能，雖然其截面承受垂直壓力好，也耐拉，但是由于其截面太窄，抗扭轉(zhuǎn)弱。

圖3 工字鋼和H型鋼截面對(duì)比

H型鋼的質(zhì)量與工字鋼相比，相同條件下質(zhì)量較輕。工字鋼多用于橫梁，而H型鋼卻能用于結(jié)構(gòu)的承重柱。為進(jìn)一步確定該立體停車系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，需要進(jìn)一步對(duì)其主體框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。將所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)零件通過SolidWorks的有限元分析出各點(diǎn)處的受力情況，合理選擇材料?？蚣軝C(jī)構(gòu)受力分析如圖4所示。

圖4 框架機(jī)構(gòu)受力分析

對(duì)承重結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行應(yīng)力分析和位移分析發(fā)現(xiàn)，工字型鋼和H型鋼在應(yīng)對(duì)位移變形抵抗方面表現(xiàn)出很大的差異。因此在承重設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)該考慮使用H型鋼。

3 基于SolidWorks的立體停車系統(tǒng)有限元分析

3.1 停車場(chǎng)裝置的強(qiáng)度分析

將所設(shè)計(jì)的零件通過SolidWorks的有限元分析出各點(diǎn)處的受力情況并合理選擇材料，通過有限元分析出承重柱的結(jié)構(gòu)受力情況，將分析的結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究。通過查閱相關(guān)資料，了解到一般家用橋車的質(zhì)量為1 200～1 300 kg，中高級(jí)轎車的質(zhì)量為1 400～1 600 kg，一些SUV的質(zhì)量在1 900 kg左右，通常取汽車與停車托盤的總質(zhì)量m=2 300 kg來計(jì)算。所以，取小車和停車托盤的最大重力為22 540 N，單邊支架所承受的重力為11 270 N，支架上的最大壓力（該支架的載荷）為11 270 N。將設(shè)計(jì)的承重柱模型與實(shí)體承重柱載重按照1∶20的比例進(jìn)行靜力學(xué)分析，令其載重為560 N，材料選擇合金鋼，對(duì)承重柱進(jìn)行靜力學(xué)分析，利用材料力學(xué)知識(shí)分別對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變、位移、安全系數(shù)進(jìn)行分析。根據(jù)材料力學(xué)中的第四強(qiáng)度理論形狀改變能密度理論，分析安全系數(shù)的原理，應(yīng)力σ1、σ2、σ3、σs之間的關(guān)系用公式表示為：

將式（1）的σs除以安全因素就能夠得到材料的許用拉應(yīng)力[σ]，按第四強(qiáng)度理論建立的強(qiáng)度條件為：

式（2）中：σ1、σ2、σ3為構(gòu)件危險(xiǎn)點(diǎn)處的主應(yīng)力。

經(jīng)查閱資料得安全因數(shù)的取值范圍為2.5～3。根據(jù)停車裝置的設(shè)計(jì)要求，取安全因數(shù)為3。合金鋼的材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 合金鋼的參數(shù)

由表1中的數(shù)據(jù)得到屈服強(qiáng)度σs=6.2 0 4 2 2×108N/m2，取安全因數(shù)n=3，就可得到許用應(yīng)力為。

承重柱靜力學(xué)分析結(jié)果——應(yīng)力如表2、圖5所示。

表2 承重柱靜力學(xué)分析結(jié)果——應(yīng)力

圖5 承重柱裝配體靜應(yīng)力分析的應(yīng)力結(jié)果

承重柱靜力學(xué)分析結(jié)果——位移如表3、圖6所示。

表3 承重柱靜力學(xué)分析結(jié)果——位移

圖6 承重柱裝配體靜應(yīng)力分析的位移結(jié)果

承重柱靜力學(xué)分析結(jié)果——應(yīng)變?nèi)绫?、圖7所示。

表4 承重柱靜力學(xué)分析結(jié)果——應(yīng)變

圖7 承重柱裝配體靜應(yīng)力分析的應(yīng)變結(jié)果

承重柱靜力學(xué)分析結(jié)果——安全系數(shù)如表5、圖8所示。

表5 承重柱靜力學(xué)分析結(jié)果——安全系數(shù)

圖8 承重柱裝配體靜應(yīng)力分析的安全系數(shù)

表2中的結(jié)果最大應(yīng)力為3.315 56×106N/m2，小于許用應(yīng)力（[σ]=2.068 1×108N/m2），得出安全因數(shù)最小為96.307 1，雖然滿足強(qiáng)度和剛度要求，但考慮到經(jīng)濟(jì)性問題可把材料的厚度減少，既可以減輕質(zhì)量又不浪費(fèi)材料，使設(shè)計(jì)成本大大降低。強(qiáng)度和剛度依然滿足設(shè)計(jì)要求，就可確定材料的最終厚度。根據(jù)以上仿真數(shù)據(jù)分析，分別對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變、位移、安全系數(shù)進(jìn)行分析，可以得出這種機(jī)械構(gòu)件滿足設(shè)計(jì)要求且設(shè)計(jì)合理。

3.2 停車場(chǎng)裝置的有效轉(zhuǎn)矩分析

對(duì)停車托盤的有效轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析驗(yàn)證，簡(jiǎn)化停車托盤與曲柄滑塊連桿機(jī)構(gòu)。規(guī)定順時(shí)針方向?yàn)樨?fù)，可得M中=﹣FLcosθ。

當(dāng)曲柄滑塊連桿機(jī)構(gòu)與托盤平行時(shí)，重力F對(duì)曲柄的偏心力矩最大，所以對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析。前面已經(jīng)分析過，取小車和停車托盤的最大重力為22 540 N，單邊曲柄連桿所承受的重力為11 270 N，則曲柄連桿上的最大壓力（該曲柄連桿的載荷）為11 270 N。將設(shè)計(jì)的曲柄連桿模型與實(shí)體曲柄連桿的載重按照1∶20的比例進(jìn)行靜力學(xué)分析，令其載重為560 N，材料選取合金鋼，合金鋼的參數(shù)如表1所示，分別對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變、位移、安全系數(shù)進(jìn)行分析。

通過表1中的數(shù)據(jù)得到屈服強(qiáng)度σs=6.204 22×108N/m2，取安全因數(shù)n=3，可得到許用應(yīng)力為。

曲柄連桿靜力學(xué)分析結(jié)果——應(yīng)力如表6、圖9所示。

圖9 曲柄連桿機(jī)構(gòu)靜應(yīng)力分析的應(yīng)力結(jié)果

表6 曲柄連桿靜力學(xué)分析結(jié)果——應(yīng)力

曲柄連桿靜力學(xué)分析結(jié)果——位移如表7、圖10所示。

表7 曲柄連桿靜力學(xué)分析結(jié)果——位移

圖10 曲柄連桿靜應(yīng)力位移分析

曲柄連桿靜力學(xué)分析結(jié)果——應(yīng)變?nèi)绫?、圖11所示。

表8 曲柄連桿靜力學(xué)分析結(jié)果——應(yīng)變

圖11 曲柄連桿靜應(yīng)力應(yīng)變分析

曲柄連桿靜力學(xué)分析結(jié)果——安全系數(shù)如表9、圖12所示。

表9 曲柄連桿靜力學(xué)分析結(jié)果——安全系數(shù)

圖12 曲柄連桿靜應(yīng)力安全系數(shù)分析

表6中最大應(yīng)力為5.187 02×107N/m2，小于許用應(yīng)力（[σ]=2.068 1×108N/m2），且安全因數(shù)最小為5.906 107，強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求就可確定材料的最終厚度。根據(jù)以上仿真數(shù)據(jù)分析，分別對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變、位移、安全系數(shù)進(jìn)行分析，可以得出這種機(jī)械構(gòu)件滿足設(shè)計(jì)且設(shè)計(jì)合理。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過SolidWorks的有限元對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變、位移、安全系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行靜力學(xué)分析。為滿足模型的設(shè)計(jì)的合理性，將設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)模型尺寸大小與實(shí)體尺寸大小按照1∶20的比例建立模型。通過改變裝置材料以及給定的相關(guān)參數(shù)，不斷進(jìn)行仿真試驗(yàn)，再對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較，對(duì)該停車裝置材料的選擇有了確定結(jié)果。通過靜力學(xué)仿真結(jié)果得出，H型的合金鋼比較合理，所以本文的停車裝置的材料選用H型合金鋼。通過SolidWorks進(jìn)行建模和裝配，結(jié)合實(shí)際受力情況，最后做出一個(gè)停車裝置，該實(shí)體裝置如圖13所示。實(shí)體模型能正常工作，滿足本文設(shè)計(jì)要求且設(shè)計(jì)合理。

圖13 停車裝置實(shí)體模型

4 總結(jié)

為解決小區(qū)停車難問題，本文設(shè)計(jì)了基于滑塊結(jié)構(gòu)的停車裝置。通過Solidworks有限元分析，建立了主要承重結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分析方法與分析結(jié)果，得出該停車裝置在材料選型方面和結(jié)構(gòu)承重能力設(shè)計(jì)方面的依據(jù)。通過制作1∶20的實(shí)體停車裝置，驗(yàn)證了該停車裝置有限元分析的有效性和合理性。