家用轎車停車裝置的設計

鐘燕,楊瑩,鄒智恒,向昊南,李林

(湖南文理學院 機械工程學院,湖南 常德,415000)

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

綜上,這些立體車庫大多存在結構不穩定、適應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該裝置,實現一個車位停2輛車,大大提高了空間利用率。

1 總體方案設計

家用轎車停車裝置主要實現存車、取車這兩大功能。根據功能要求,該裝置由車架主體、車板升降系統、車板回轉系統和控制系統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構,其結構合理性對于裝置的受力性能好壞十分重要。因此,將車架結構設計為一對稱布置的直角梯形結構,并在其內側開槽,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,通過對車架導軌尺寸的精確設計,確保支撐板作升降平移運動。

圖3 五桿機構

2.2 車板升降系統

車板升降系統由電機、圓錐齒輪機構、鏈輪鏈條機構以及具有限位功能的五桿機構等組成。由于導軌的結構尺寸經過精確的設計,故支撐板在鏈條以及五桿機構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定性。

上述方案中,五連桿機構的自由度大于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動,特別設置了限位結構。其中桿3的結構具有限位作用,它使桿2只能在0～30°內旋轉,桿3在0～30°內旋轉,而桿4的轉動角度為0～90°。五桿機構運動簡圖如圖3所示,桿3的三維結構如圖4所示。

2.3 車板回轉系統

考慮到大多數住宅小區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性,本裝置特增設了車板回轉系統,主要由電機、圓錐齒輪機構等組成,可以實現載車板的回轉運動。該設備易拆裝可移動,且電轉回轉角度可以人為控制,幾乎可以適應所有類型的停車位。

圖4 限位連桿三維圖

2.4 控制系統

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直流電機驅動模塊來控制直流電機,控制電路設計包括硬件電路設計和軟件編程設計兩部分。硬件部分,電機驅動端口線路連接以及使能端控制可以實現電機正反轉;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。控制系統如圖5所示。

圖5 控制系統

3 相關分析計算

3.1 車架有限元分析

車架材料選取45鋼,其許用彎曲應力[σ-1]=60 MPa。由于車架是整個裝置的主要受力結構,首先對其進行強度校核至關重要,三維模型采用Solidworks建模,然后導入ANSYS中進行網格劃分[9],再通過材料設置、載荷約束設置等操作進行求解,看車架最危險點的應力應變是否超過許用范圍。車架的網格單元劃分如圖6所示。圖7為位車架應力圖。由圖7可知,最大應力為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力分析,發現最危險點所承受的最大應力小于材料的許用彎曲應力,所以材料的選擇以及尺寸設計是合適的。

圖6 車架網格單元劃分

圖7 車架應力圖

圖8 車架應變圖

圖9 車架最危險點的局部放大圖

3.2 載車板強度校核

根據一般家用汽車輪廓大小以及車庫大小,載車板尺寸設計為長4.8 m、寬3.3 m、厚0.02 m,載車板的材料為Q235鋼材,其許用彎曲應力為[σ-1]=158 MPa。根據家用轎車的重量,設計車輛最大載荷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]得到相關計算校核公式。

① 彎曲應力

② 抗彎截面系數

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、抗彎截面系數代入式(1),得σ=65.45 MPa＜[σ-1],強度合格。

4 結論

該裝置可以實現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大系統組成。其中車板升降系統與車板回轉系統共同作用可實現存取車的功能,控制系統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)車板升降系統中采用了五桿機構,并增設了一限位結構,可以限制連桿旋轉的角度以及位移,使桿2只能在0°～30°內旋轉,桿3在0°～30°內旋轉,而桿4的轉動角度為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軟件對車架進行應力分析,將車架主體在最危險點的應力大小與材料的許用應力比較,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,也可得出載車板設計以及材料的選取是合理的。