家用轎車停車裝置的設(shè)計(jì)

鐘燕,楊瑩,鄒智恒,向昊南,李林

(湖南文理學(xué)院 機(jī)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(gè)問題,市場(chǎng)上出現(xiàn)了各種類型的立體車庫(kù),如陳鋒[1]設(shè)計(jì)的高層升降橫移式立體車庫(kù),升降機(jī)構(gòu)采用電機(jī)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(xiǎn),安全穩(wěn)定性不高;李麗等[2]設(shè)計(jì)的垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫(kù),雖然提高了空間利用率,但整個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、承載能力低;林創(chuàng)挺等[3]設(shè)計(jì)的摩天輪式小型車庫(kù),裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng),結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定;如吳碧金[4]等設(shè)計(jì)的橋式雙層無避讓立體停車設(shè)備,雖然設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低,但是耗能大,而且對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度要求高,場(chǎng)地適用性低;如張向紅[5]設(shè)計(jì)的升降子母機(jī)式立體車庫(kù),結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差,且桿長(zhǎng)過長(zhǎng),不適用于路側(cè)車位安裝,適用范圍小。

綜上,這些立體車庫(kù)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(gè)停車位,可以在原有車位增設(shè)該裝置,實(shí)現(xiàn)一個(gè)車位停2輛車,大大提高了空間利用率。

1 總體方案設(shè)計(jì)

家用轎車停車裝置主要實(shí)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(gè)裝置的主要受力結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)合理性對(duì)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(jì)為一對(duì)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(dāng)鏈條運(yùn)動(dòng)時(shí),便可帶動(dòng)支撐板運(yùn)動(dòng),通過對(duì)車架導(dǎo)軌尺寸的精確設(shè)計(jì),確保支撐板作升降平移運(yùn)動(dòng)。

圖3 五桿機(jī)構(gòu)

2.2 車板升降系統(tǒng)

車板升降系統(tǒng)由電機(jī)、圓錐齒輪機(jī)構(gòu)、鏈輪鏈條機(jī)構(gòu)以及具有限位功能的五桿機(jī)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(jì),故支撐板在鏈條以及五桿機(jī)構(gòu)作用下作升降平移運(yùn)動(dòng),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(jī)構(gòu)的自由度大于1,桿1作為原動(dòng)件,由支撐板、鏈板連接件以及鏈條組成。由于原動(dòng)件的數(shù)目為 1[7],具有運(yùn)動(dòng)的不確定性,為了保證同一時(shí)間四根連桿只有一根轉(zhuǎn)動(dòng),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(dòng)角度為0～90°。五桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)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(chǎng)所車位均為非字形停車位,為提高裝置的場(chǎng)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(jī)、圓錐齒輪機(jī)構(gòu)等組成,可以實(shí)現(xiàn)載車板的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該設(shè)備易拆裝可移動(dòng),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(jī)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(jī)與L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來控制直流電機(jī),控制電路設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程設(shè)計(jì)兩部分。硬件部分,電機(jī)驅(qū)動(dòng)端口線路連接以及使能端控制可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn);軟件編程部分,用C語(yǔ)言編寫電機(jī)各功能指令用程序,再通過燒錄軟件寫入單片機(jī)中即可。控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)

3 相關(guān)分析計(jì)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(gè)裝置的主要受力結(jié)構(gòu),首先對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)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(jìn)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(jìn)行求解,看車架最危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變是否超過許用范圍。車架的網(wǎng)格單元?jiǎng)澐秩鐖D6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(qiáng)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(duì)而言車架的變形可以忽略不計(jì)。圖9為車架最危險(xiǎn)點(diǎn)的局部放大圖。由圖9可知,通過對(duì)車架最危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力分析,發(fā)現(xiàn)最危險(xiǎn)點(diǎn)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(jì)是合適的。

圖6 車架網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?/p>

圖7 車架應(yīng)力圖

圖8 車架應(yīng)變圖

圖9 車架最危險(xiǎn)點(diǎn)的局部放大圖

3.2 載車板強(qiáng)度校核

根據(jù)一般家用汽車輪廓大小以及車庫(kù)大小,載車板尺寸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)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(jì)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(duì)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(duì)稱布置的,則最大彎矩Mmax=RA×800=14.4 kN·m。由文獻(xiàn)[10]得到相關(guān)計(jì)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(qiáng)度合格。

4 結(jié)論

該裝置可以實(shí)現(xiàn)一位兩車式全自動(dòng)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(chǎng)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(shí)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(dòng)化。整個(gè)裝置的動(dòng)力均由電機(jī)提供。

(2)車板升降系統(tǒng)中采用了五桿機(jī)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(dòng)角度為0°～90°,保證同一時(shí)間只有一根桿件在運(yùn)動(dòng),從而保證運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。

(3)通過ansys軟件對(duì)車架進(jìn)行應(yīng)力分析,將車架主體在最危險(xiǎn)點(diǎn)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(duì)載車板進(jìn)行受力分析與強(qiáng)度計(jì)算,也可得出載車板設(shè)計(jì)以及材料的選取是合理的。