一種剪叉式運動骨架設計

韓文武， 樊愿華， 倪禹隆， 楊振， 王躍飛

（合肥工業大學機械工程學院，合肥 230009）

一種剪叉式運動骨架設計

韓文武， 樊愿華， 倪禹隆， 楊振， 王躍飛

（合肥工業大學機械工程學院，合肥 230009）

隨著汽車保有量的不斷增加，當前實體車庫緊缺，為了滿足日益增長的汽車對于車庫使用的需求。從節約占地面積、防護汽車、提高便利性以及防盜等方面出發，文中介紹一種可用于折疊車位庫結構系統的運動骨架，實現自動化控制折疊車位庫。改善了結構穩定性，提高了傳動效率，減少了汽車遭受沙塵雨雪及風吹日曬的侵襲，一定程度緩解車庫緊張問題。

剪叉式結構；運動骨架；折疊車位庫；設計

0 引 言

近年來汽車保有量增長迅速，導致普遍存在著車庫緊張的問題，許多車輛露天停放，經過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。

自動化折疊車位庫，采用露天車位與汽車帳篷相結合的方法，彌補了露天停車和汽車篷布的缺點，具有可移動性和折疊性，其主體采用可折疊運動骨架結構，成本低，泊車方便。展開時完全將汽車遮蓋住，對汽車起到很好的防護作用，收縮后可放置于箱體中，節約空間，一定程度上又能緩解車庫緊張問題。本文提出一種適用于折疊車位庫的運動骨架系統設計，可實現其自動化伸縮，如圖1所示。

1 技術難點及解決方案

本文主要介紹一種應用于自動化折疊車位庫的剪叉式運動骨架系統，以下從減小摩擦損耗，改善運行平穩性、協調性以及安全性等方面出發提出改進措施。

圖1 剪叉式運動骨架應用示意圖

1.1 降低工作中摩擦損耗的措施

車位庫要實現自動收縮和伸展，必須通過電動機帶動傳動機構控制相關骨架實現伸縮或折疊。在骨架實現收展過程中，總會產生零部件之間相互接觸運動的情況，這一過程會伴隨著摩擦力的產生，促使整個系統的能量損耗，收放效率大大降低，并且不利于整個車位庫的收縮和伸展運動。

為了減小收展過程中的摩擦力，減少能耗，改零部件之間的面接觸為點/線接觸，例如：兩剪叉臂活動鉸接端與立桿之間接觸運動，可以通過在活動鉸接端安裝皮輪，從而實現點/線接觸運動。伸縮骨架的傳動機構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，既能減小摩擦也能提高導向精度與重復定位精度。此外，也可采用摩擦因數較低的材料，如石墨材料等。

1.2 改善運行平穩性及協調性的措施

折疊車位庫收展可采用分段式運動，運行速率較快，占用空間較小，易于設計成流線型，提高其穩定性。但實現分段運動過程應保證其協調性，傳動機構應具有較高的承載能力和強度，以達到傳動的連續和平穩要求，而且系統對傳動機構有一定的沖擊性，因而傳動過程中應有必要的緩沖措施。例如，折疊結構可設計為繩索傳動，伸縮骨架可設計為螺桿螺母傳動，并安裝鎖定與緩沖裝置以保證傳動的連續和平穩性。

1.3 提高車位庫安全性的措施

車位庫頻繁收展，要求膜布隨運動骨架有一定的展開規律，避免由于多次運動導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律性，要求帶動其展開的骨架數量有一定的上限，并且骨架運動速度有一定的穩定性，避免速度不均產生的拉扯膜布的現象。也可將膜布設計如百葉窗式的葉片結構，另外，運動骨架和膜布本身也要求有很好的韌性與強度，有一定的抗沖擊性，提高車位庫安全性。

2 剪叉式運動骨架系統的方案設計

剪叉式運動骨架系統設計包括驅動剪叉式骨架的左右牙雙向滾珠絲杠傳動機構，剪叉式伸縮骨架結構以及引導其收展的輪軌。該運動骨架系統配合使用可應用于自動化折疊車位庫，提高其收展效率，節約空間，增加平穩性。

2.1 伸縮骨架系統的結構設計

伸縮骨架系統采用剪叉式運動骨架結構，包括兩交叉設置的交叉臂與立桿總成，如圖2所示。立桿總成由主立桿，若干移動立桿，滾動軸承及彈性限位塊構成，立桿一側面均設置導程槽，滾動軸承可滾動置于槽內，沿豎直方向移動，并且設有限位塊，剪叉式伸縮結構應用時位于車位庫兩側，導程槽開口相對。兩交叉臂中間部位通過轉動軸鉸接，其中一交叉臂的一端與滾動軸承同軸線可轉動連接，另一端與立桿中部鉸接。

主立桿固接于車位庫支架上，其槽內滾動軸承實現上下移動，驅動做剪叉式運動實現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動下做水平運動，其槽內滾動軸承上下移動，實現沿弧向的合成運動。在實際應用過程中可將其設計成雙剪叉式驅動結構，提高其結構強度和穩定性。

圖2 剪叉式伸縮結構爆炸圖

2.2 運動骨架系統的輪軌設計

剪叉式運動骨架系統中各個移動立桿底部安裝滑輪，并與地面上導軌滑動配合，其結構如圖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，骨架系統運行時約束了滑輪水平方向移動，防止其與輪軌槽兩端面碰撞，有效減小運動的沖擊。輪軌設計成凹型，在收展運行狀態下可以有效避免滑輪跳出軌道，限制了其上下跳動。收攏時兩輪接觸部位裝有彈性擋圈，可有效減小沖擊，提高了運行平穩性、精度及安全性。

圖3 輪軌配合示意圖

圖4 輪軌截面圖

2.3 剪叉式伸縮結構的傳動機構設計

左右牙雙向滾珠絲杠傳動機構是剪叉式伸縮結構系統所采用的主要傳動方式，電動機的輸出轉矩經減速裝置驅動其傳動機構實現整體骨架運動。

雙向滾珠絲杠傳動機構由一左右牙雙向滾珠絲杠、兩配合的滾珠絲杠螺母、一對用于收展的傳動支架以及沿絲杠方向的直線導軌構成。電動機輸出軸經減速裝置與雙向滾珠絲杠傳動連接，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，其中一對傳動支架的一端與兩滾珠螺母剛性連接。滾珠螺母的旋轉方向被直線導軌所約束，實現其直線運動。

剪叉式伸縮結構主立桿內滾動軸承與傳動支架的另一端剛性固接，所需兩副雙段滾珠絲杠傳動機構實現其運動，雙向滾珠絲杠轉動時，在導軌導向下限制其沿螺旋方向轉動，只能帶動兩滾珠螺母相對或相向移動。

2.4 剪叉式運動骨架系統的工作方式

運動骨架系統展開方式：電動機驅動左右牙雙向滾珠絲杠轉動，其配合的滾珠絲杠螺母沿相反方向移動，相連接的傳動支架推動主立桿內滾動軸承沿預定直線方向在導程槽中移動一段距離，其他副立桿經交叉臂驅動也依次沿著預定水平直線軌跡方向移動至運動骨架系統完全展開，置于運動骨架上的膜布也完全舒展。

運動骨架系統收起方式：電動機反向驅動左右牙雙向滾珠絲杠，雙向滾珠絲杠反向轉動，配合的滾珠絲杠螺母相向移動，在傳動支架的推動和交叉臂的剪叉式作用下副移動立桿收縮，完全收縮后運動骨架系統可置于箱體中。

3 主要機械結構的設計

考慮到剪叉式運動骨架系統應用于折疊車位庫，其實物體積過大，制作加工不方便，不利于實驗驗證，以下機械結構均為1:5進行縮放后的設計參數。

3.1 左右牙雙向滾珠絲杠機構的設計

滾珠絲杠副的軸向變形易引起絲杠導程發生變化，從而影響定位精度和運動的平穩性，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）設計參數。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應滿足設計精度。

2）穩定性校核。滾珠絲杠屬于受軸向力的細長桿，軸向負載過大，則可能產生失穩現象。絲杠失穩臨界載荷:

考慮左右牙雙向滾珠絲杠副傳動機構兩配合的滾珠螺母相對或相反移動，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，傳動過程平穩，噪聲小，傳動效率高。

3.2 剪叉式運動骨架結構的設計

滾珠絲杠螺母通過傳動支架與A點剛性連接，A點所在的連接桿與豎直方向夾角θ呈20°，如圖5所示。取移動副立桿1上的銷釘B為動點（如圖6所示），動系與移動副立桿固結，則相對運動Vr是沿導程槽方向的運動，絕對運動Va是繞C點的轉動，牽連運動Ve是水平運動。則：Vr·cos（90°-θ）=Ve·cosθ，即Vr=Ve·cotθ。

圖5 剪叉式結構局部圖

圖6 B點速度合成圖

根據實際應用場合的需要，通過上述運動的簡單分析配合選用的電動機以及傳動機構可以設計相應立桿的長度，計算出符合要求的速度。另外，也可以對工作過程中的骨架進行仿真結合運動學與動力學分析設計其結構，選擇相應材料，增強其穩定性。

4 結論

本文提出了一種剪叉式運動骨架系統設計方案，介紹其適用于自動化折疊車位庫，可以滿足折疊車位庫市場需求，一定程度上解決目前已有折疊車位庫結構的不足。設計中通過驅動左右牙雙向滾珠絲杠實現剪叉式骨架結構伸縮，減小了車位庫的體積和實體車庫的占地面積，改善了運動骨架結構，提高了平穩性，加快了收展的運行速率。另外，剪叉式運動骨架系統還可適用于自卸車、吊斗車以及貨車等篷布收展結構骨架中，簡單方便，應用廣泛，實用前景廣闊。

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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

合肥工業大學2015年國家級大學生創新創業訓練計劃項目資助（201510359009）

（編輯黃 荻）

韓文武（1994—），男，在讀本科生，機械設計制造及其自動化專業。

2017-03-30