王崇和 袁 夢(mèng) 湯鑫劍 曹占龍 黃紫茜 楊昌盛

（1.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院科技學(xué)院，湖北 十堰 442000；2.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442000）

0 引言

目前，城市中不允許汽車(chē)停在馬路上，車(chē)主通常會(huì)在自家周?chē)O(shè)置一個(gè)不影響交通的停車(chē)位，通過(guò)設(shè)置路肩產(chǎn)生高度差的方式將機(jī)動(dòng)車(chē)道與人行道分開(kāi)，然而這種方式會(huì)使汽車(chē)的通過(guò)性變差，甚至無(wú)法行駛。在汽車(chē)上路肩停車(chē)的過(guò)程中，因路肩過(guò)高而與輪胎側(cè)壁碰撞導(dǎo)致爆胎，不但造成經(jīng)濟(jì)上的損失，還會(huì)對(duì)交通產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的路肩雖然有利于維護(hù)交通，但卻導(dǎo)致車(chē)主停車(chē)不便，如車(chē)主要在路邊的商鋪等處停車(chē)時(shí)，需要上下路肩，傳統(tǒng)的路肩反而會(huì)阻礙交通。針對(duì)上述情況，本研究設(shè)計(jì)出一種用于輔助路邊停車(chē)的可變坡道裝置［1］。該裝置是輔助路邊停車(chē)、自動(dòng)變形的新型坡道裝置，使用該裝置時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)斜坡，在方便車(chē)輛駛出或駛?cè)氲缆返耐瑫r(shí)，也方便汽車(chē)停車(chē)。

1 裝置設(shè)計(jì)

輔助路邊停車(chē)的可變坡道裝置（見(jiàn)圖1）由六部分組成。可變式輔助坡道裝置采用兩段式結(jié)構(gòu)，外圍搭建板由一個(gè)橫板和一個(gè)可變式斜板組成，板間采用限位配合的方式。在豎板方向固定的情況下，斜板與板下的誘導(dǎo)輪相接觸，通過(guò)受力帶動(dòng)滑軌向后移動(dòng)，解除限位，配合實(shí)現(xiàn)坡道的延伸和變形。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 裝置運(yùn)行流程

可變式坡道輔助裝置通過(guò)折疊和受力的方式來(lái)改變道路情況。輔助坡道體積不大時(shí)，有充分的移動(dòng)空間。同時(shí)考慮到弱視和光反射，該裝置在外觀上使用視覺(jué)辨別性較高的顏色，在造型上多運(yùn)用一些無(wú)尖角、圓滑的形體，從而減少磕碰、卡死現(xiàn)象的發(fā)生。

該裝置在傳統(tǒng)路肩的基礎(chǔ)上，增添滑軌結(jié)構(gòu)和彈簧組，用來(lái)代替?zhèn)鲃?dòng)輪子。傳統(tǒng)路肩是用水泥做成出入口或用鐵直接焊出三腳架，固定式的設(shè)計(jì)無(wú)法保持交通的便利及道路的美觀。為了滿(mǎn)足使用者的需求，本研究設(shè)計(jì)的產(chǎn)品增加了自動(dòng)伸縮系統(tǒng)。通過(guò)彈簧為該機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，并可手動(dòng)調(diào)節(jié)。面板背后的筋構(gòu)架用來(lái)增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在保證輕量化的同時(shí)，也滿(mǎn)足使用者的要求。圖2 為該產(chǎn)品的未展開(kāi)狀態(tài)的展示圖。

圖2 未展開(kāi)形態(tài)圖

1.2 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)詳解

本研究設(shè)計(jì)的產(chǎn)品受力過(guò)程如下。一號(hào)板開(kāi)始發(fā)生第一次狀態(tài)改變，由豎直狀態(tài)到開(kāi)始具有30°的傾斜角度，二號(hào)板跟隨一號(hào)板發(fā)生狀態(tài)上的改變，一號(hào)板和二號(hào)板的連接處在力的作用下產(chǎn)生一個(gè)斜坡。同時(shí)，由于三號(hào)板和彈簧連接，彈簧發(fā)生形變，并將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為彈性勢(shì)能。當(dāng)外力消失時(shí)，由彈簧回彈拉動(dòng)三號(hào)板，并由三號(hào)板帶動(dòng)二號(hào)板和一號(hào)板回歸原位，從而完成一次運(yùn)動(dòng)。其中，由滑塊和滑軌來(lái)限制其運(yùn)動(dòng)。

1.3 一、二、三號(hào)板設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的產(chǎn)品采用金屬構(gòu)造，結(jié)實(shí)耐用、不易毀壞。塊狀的路肩不能滿(mǎn)足人們?nèi)粘Ｐ枨?，因此以行?chē)方便、節(jié)約空間為核心來(lái)設(shè)計(jì)該輔助裝置。本研究通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)將塊狀路肩與坡道結(jié)合起來(lái)，使其適配電動(dòng)車(chē)、汽車(chē)、自行車(chē)等，受力后其會(huì)發(fā)生形變而變?yōu)槠碌?，在?chē)輛通過(guò)坡道后，裝置會(huì)自動(dòng)復(fù)位。

1.3.1 活頁(yè)式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)流暢，便于車(chē)輛行駛。在每一個(gè)板背后設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，增加其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在保證輕量化的同時(shí)滿(mǎn)足使用要求。

1.3.2 滑軌式設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在給予面板支持力的同時(shí)，不影響整體運(yùn)動(dòng)。

1.3.3 彈簧為機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。當(dāng)機(jī)構(gòu)形態(tài)發(fā)生改變時(shí)，會(huì)提供拉力使其復(fù)原，可節(jié)省能源。

輔助坡道使用外置手動(dòng)輔助來(lái)搭建裝置，在能源耗盡或受力不足時(shí)，不用擔(dān)心無(wú)法搭建坡道。

1.4 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化和自由度運(yùn)算

本研究設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可簡(jiǎn)化為一種曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖（受力后復(fù)位的情況）

根據(jù)劉默［2］提出的基于MATLAB曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)本研究設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)算，其自由度運(yùn)算公式見(jiàn)式（1）。

式中：F為機(jī)構(gòu)自由度；N為活動(dòng)構(gòu)建；PL為低副；PH為高副。

因此，該產(chǎn)品的自由度為1，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)為確定性運(yùn)動(dòng)，即在使用過(guò)程中其運(yùn)動(dòng)是可以確定的。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

在完成整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證分析，通過(guò)制作物理樣機(jī)來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。但在制作樣機(jī)的過(guò)程中許多參數(shù)是難以控制和測(cè)量的，可采用有限元分析法對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，本研究參考賈慧娜［3］基于ANSYS 的金屬板材拉伸模擬分析。

本研究設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的主要受力點(diǎn)在三塊板上，板材的強(qiáng)度、在外力擠壓下是否會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的形變而導(dǎo)致產(chǎn)品損壞和無(wú)法實(shí)現(xiàn)功能成為最主要的問(wèn)題，因此，建立有限元靜力學(xué)分析模型對(duì)其進(jìn)行分析與校核。

2.1 有限元模型建立

本研究設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在使用過(guò)程中是一個(gè)狀態(tài)量，且一直處于峰值狀態(tài)，可采用靜力學(xué)進(jìn)行分析。對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，為減小計(jì)算量，可去除模型的倒角等，來(lái)提高網(wǎng)格質(zhì)量。利用Ansys Work?bench 軟件中mesh 模塊對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)對(duì)接觸區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，以提高網(wǎng)格的精確度。網(wǎng)格劃分的結(jié)果是最高網(wǎng)格質(zhì)量為0.95、平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.68、關(guān)鍵接觸位置的網(wǎng)格質(zhì)量均在0.3 以上，可有效降低計(jì)算的錯(cuò)誤率。劃分完成的有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元網(wǎng)格模型

2.2 材料性能

為避免板在使用過(guò)程中產(chǎn)生損壞，對(duì)板的基本要求為外硬里韌，本研究采用的材料為結(jié)構(gòu)鋼，材料力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能

2.3 邊界條件

通過(guò)查資料可知，普通的家用汽車(chē)重量在1 t左右，經(jīng)過(guò)折算分析，其對(duì)本研究設(shè)計(jì)的裝置施加15 000 N 的力，并對(duì)該裝置進(jìn)行受力分析，判斷其能否承受汽車(chē)的重量，以此來(lái)判斷其能否滿(mǎn)足實(shí)際工況需求。

2.4 接觸強(qiáng)度計(jì)算

將15 000 N 的力直接施加在板材上，計(jì)算其形變量、在接受壓力過(guò)程中每一處產(chǎn)生的應(yīng)力，以及應(yīng)力最大處產(chǎn)生的形變量。其強(qiáng)度極限的計(jì)算公式見(jiàn)式（2）。

式中：σ為強(qiáng)度極限，MPa；Fb為承受的最大力，N；SO為原橫截面積，mm2。

通過(guò)式（2）可計(jì)算出板在多大壓力下會(huì)發(fā)生斷裂，并通過(guò)查表來(lái)判斷采用的材料是否符合設(shè)計(jì)和實(shí)際使用要求。

2.5 結(jié)果分析

材料的屈服強(qiáng)度σs為355 MPa，板在工作過(guò)程中不發(fā)生破壞的條件是其所受最大應(yīng)力值σmax不超過(guò)許用應(yīng)力［σ］，即σmax≤［σ］［8］，而許用應(yīng)力［σ］=σs/s。當(dāng)安全系數(shù)s取1.3時(shí)，得出［σ］=273.08 MPa。

經(jīng)過(guò)有限元分析得出應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖5至圖7。

其中，每個(gè)板的形變量為3～5 mm，其等效應(yīng)力為3.146 2×108～1.260 6×109Pa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)對(duì)圖5 至圖7 進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在15 000 N力的作用下，裝置的形變量為3～5 mm，而一般家用汽車(chē)的重量為1.2～1.5 t，所以本產(chǎn)品可滿(mǎn)足其使用要求。

圖5 一號(hào)板等效應(yīng)力云圖

圖7 三號(hào)板等效應(yīng)力云圖

3 結(jié)語(yǔ)

單一性坡道不能很好地滿(mǎn)足相關(guān)要求，塊狀的路肩也不能滿(mǎn)足人們?nèi)粘Ｊ褂眯枨??；诖?，本研究通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)將二者結(jié)合，適配電動(dòng)車(chē)、汽車(chē)、自行車(chē)等車(chē)輛，本研究設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在受力后會(huì)產(chǎn)生形變，使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)斜坡，方便車(chē)輛駛出道路或駛?cè)氲缆?，也方便路邊的汽?chē)停車(chē)，力削減后其會(huì)自動(dòng)復(fù)位，既不影響美觀，又經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

圖6 二號(hào)板的等效應(yīng)力云圖

針對(duì)車(chē)輛越來(lái)越多的情況，本研究設(shè)計(jì)出的一種輔助路邊停車(chē)的可變坡道裝置可以很好地解決路邊停車(chē)難和上下車(chē)難的問(wèn)題，因此本研究設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有廣闊的應(yīng)用前景和較大的潛在經(jīng)濟(jì)效益。

本研究通過(guò)自主創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出一種用于輔助路邊停車(chē)的可變坡道裝置，用于解決在城市生活中路邊停車(chē)的不便，解決城市中亂停車(chē)和城市街道中不整潔問(wèn)題。并運(yùn)用有限元方法對(duì)裝置在使用過(guò)程中的應(yīng)力和形變量進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果與校核計(jì)算值誤差率小于6%，表明該有限元模型具有準(zhǔn)確性。