半地半軌雙層立式停車裝置的結構設計與有限元分析*

沈仙法，張 月，郁錦濤

(1.三江學院 機械與電氣工程學院，江蘇 南京 210012；2.南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816)

0 引 言

隨著轎車正逐步走入家庭，購車與停車的矛盾正在逐漸變大[1-3]。居民小區的每個停車位只能滿足一輛轎車停放，而已有的停車裝置又主要是大型立體車庫，對于家庭停車需求往往無法滿足。小型雙層立式停車裝置可以彌補這方面的不足。

目前，關于小型雙層立式停車裝置的研究主要有：文獻[4]設計了一種家用液壓微型立體車庫，這種車庫的上、下兩車位的車輛必須要按照順序停放，而且上、下兩層車輛的存取有相互干涉；文獻[5]設計了一種無避讓式雙層立式停車庫，但其結構復雜，占地面積大。已有的雙層立式停車裝置[6-9]大多要求底層必須預留至少一個用于避讓的空車位，同時具有升降和橫移功能的停車裝置也不適合在一個車位面積的地方上使用。

針對現有雙層立式停車裝置的空間利用不完全、上下兩層車輛的停取有干涉等問題，本文設計一種具有升降和橫移功能的半地半軌雙層立式停車裝置。

1 停車裝置總體方案設計

筆者設計一種半地半軌雙層立式停車裝置。由于家用轎車質量一般小于1 700 kg，考慮到裝置傳動過程中的摩擦、潤滑不良、室外的風、雪、雨以及裝置本身部件自重等因素，取安全系數為1.5，并將車重乘以安全系數作為額定載重量[10-12]。

該裝置設計可停放車輛參數如表1所示。

停車裝置主要包括5部分，如圖1所示。

2 停車裝置機械結構設計

2.1 框架設計

主體框架是安裝框架橫移系統和上載車板升降系統的支撐件，框架型材選擇是否合適直接關系到框架的整體穩定性，因此，根據框架各個部位受力特性，框架4根立柱選用200 mm×200 mm×3 mm方管，框架縱梁和橫梁以及其支撐件選用200 mm×100 mm×3 mm方管，材料均為Q235A。

2.2 框架橫移系統設計

框架橫移系統主要由框架橫移電機、滾子鏈傳動系統和導軌運動系統組成；框架橫移電機選用YVF315L1-4型三相交流異步電動機，其具有抱剎裝置和斷電自鎖的功能，防止突然停電使汽車下墜而造成危險；鏈傳動選用28A滾子鏈。框架橫移系統的作用是將上載車板橫移至待放區，實現上層汽車的無障礙升降，框架的4根立柱底部一側裝有從動滾輪，一側裝有驅動滾輪。其中從動滾輪在地面上行駛，驅動滾輪安裝在導軌上，沿著導軌行駛。

具體結構示意如圖2所示。

2.3 上載車板升降系統設計

上載車板升降系統主要包括升降電機、滾子鏈傳動系統、鋼絲繩升降系統和上載車板。通過計算和分析，升降電機選用了YVF315M-4型三相交流電動機，鏈傳動選用28A滾子鏈。

該系統的作用是實現上載車板的升降，完成上層車輛的停取，具體結構示意如圖3所示。

圖3 上載車板升降結構示意圖1—上載車板升降電機；2—升降主動鏈輪；3—升降鏈條；4—升降從動鏈輪；5—卷揚輪；6—卷揚繩；7—上層汽車；8—上載車板

2.4 下載車板橫移系統

下載車板橫移系統主要由下載車板橫移電機、滾子鏈傳動系統、導軌橫移系統和下載車板組成。筆者通過計算和分析，升降電機選用YVF315M-4型三相交流電動機，鏈傳動選用28A滾子鏈。該系統的作用是將下載車板移動到待放區，以便下層汽車駛入或駛出。下載車板底部一側裝有從動滾輪，一側裝有驅動滾輪。從動滾輪在地面上行駛，驅動滾輪安裝在導軌上，沿著導軌行駛。

具體結構示意如圖4所示。

圖4 下載車板橫移原理示意圖1—下載車板橫移電機；2—下載車板主動鏈輪；3—傳動鏈條；4—下載車板從動鏈輪；5—驅動滾輪；6—導軌；7—下載車板；8—下層汽車；9—下載車板從動滾輪

2.5 停車裝置整機機械結構

綜合上述設計，半地半軌雙層立式停車裝置的整機三維機械結構如圖5所示。

以復合改性植物膠為稠化劑，有機絡合物為交聯劑，引入抑制劑進一步控制緩交時間，并添加少量表面活性劑提高解堵后破膠液的排液能力，形成了暫堵壓井膠塞配方，見表1。

圖5 停車裝置整機結構圖1—框架；2—上載車板升降系統；3—框架橫移系統；4—下載車板橫移系統

3 關鍵部件結構有限元分析

上載車板、框架導軌座和升降長軸是停車裝置的關鍵部件，承受著整個框架、上層汽車和其他零部件的重量。因此，有必要對這些構件進行強度和剛度分析。

3.1 有限元模型的建立

首先，本文在UG NX中建立停車裝置主要構件的三維模型并進行簡化[13-14]，再利用UG接口程序直接轉換成ANSYS Workbench可識別的x_t文件格式，導入到ANSYS Workbench中，然后進入Static Structural-Mechanical靜態結構分析環境界面。

3.2 材料參數

停車裝置的框架導軌座和升降長軸的材料為45號鋼，上載車板的材料為Q235A，其材料力學性能如表2所示。

表2 材料力學參數

3.3 網格劃分

ANSYS Workbench中提供了自動劃分法、四面體劃分法、笛卡爾法等多種網格劃分方法[15-19]。本文分析模型均采用六面體主體法劃分網格。

3.4 有限元分析結果與討論

筆者在關鍵構件相應位置添加約束和載荷，分析計算出應力值，驗證其是否滿足強度和剛度的要求。通過ANSYS Workbench模擬分析，分別得到了上載車板、框架導軌座和升降長軸的應力和變形云圖。

上載車板有限元分析結果如圖6所示。

圖6 上載車板有限元分析結果

導軌座有限元分析結果如圖7所示。

圖7 導軌座有限元分析結果

升降長軸有限元分析結果如圖8所示。

圖8 升降長軸有限元分析結果

從圖6(b)可知，上載車板的最大總變形出現在上載板的中間位置，為5.474 mm；從圖7(b)和圖8(b)可看出，框架導軌座的最大總變形位置在軸承座孔的底側，為0.001 mm，升降長軸的最大總變形出現在兩端從動鏈輪的安裝支撐處，為 0.036 mm。3個關鍵構件的變形均小于其許用撓度([ω]=l/200)。由此可見，上載板、框架導軌座和升降長軸變形均滿足安全要求。

4 風載荷對停車裝置穩定性的影響

4.1 風載荷計算

由于停車裝置安裝在室外，根據建筑結構荷載規范的要求，風壓和風速的關系為：

(1)

式中：?—基本風壓，N/m2；ρ—空氣密度，一般為1.25 kg/m3；v0—平均風速，m/s。

按照最不利工況分析停車裝置的穩定性，即最大風力12級，上層停有汽車。由于下層汽車位于下載車板上，與其他系統沒有關聯，分析時不作考慮。經計算，風力12級時，最大風壓為851 N/m2。

停車裝置相應部件的迎風受力計算式[20]為：

F=ψ?·S

(2)

式中：F—停車裝置所受風力值，N；S—停車裝置部件的迎風面積，m2；ψ—充滿系數，型鋼或鋼板桁架或空腹結構時ψ=0.2～0.6，管子桁架結構時ψ=0.2～0.4，實體板結構時ψ=1，機構時ψ=0.8～1。

4.2 風載荷作用下的穩定性分析

經分析計算，停車裝置所受最大風載荷為6 959.47 N，具體如表3所示。

表3 停車裝置風載荷

在風載荷的作用下，停車裝置產生的最大傾覆力矩為12 527.05 N·m，停車裝置整體框架和上載車板系統與地面的摩擦力矩為69 293.13 N·m，最大傾覆力矩小于停車裝置與地面摩擦力矩。由此可見，該停車裝置能夠保證在風載荷作用下的穩定性安全要求。

5 模型樣機制作與調試

為驗證停車裝置結構的合理性以及能否實現預定功能，筆者制作了模型樣機，模型樣機的尺寸與實際尺寸之比為1∶10，如圖9所示。

圖9 模型樣機

試驗過程中，上載車板出現了隨著框架的橫移而晃動的現象。筆者通過在框架立柱上鋪設垂直移動軌道，使上載車板在垂直軌道內上下移動，避免了上載車板的晃動；

框架橫移長軸和升降長軸因受力而產生了較大變形。筆者通過增加軸承座，起到輔助支撐的作用，減小了長軸的撓曲變形；

上、下載車板兩端的緩坡板與地面的角度大于汽車接近角，導致汽車無法駛入載車板；角度小于汽車接近角，又會引起汽車所占車位過長。筆者通過采用準確設計載車板兩端緩坡板的角度，避免了上述兩個問題。

綜上所述，經過筆者調試和修正，停車裝置測試的全部功能均可以滿足使用要求。

6 結束語

(1)針對現有小型立式停車裝置的不足，筆者設計了一種適用于家用轎車的半地半軌雙層立式停車裝置，裝置框架和下載車板橫移系統采用了半地半軌結構，上載車板升降系統采用了鏈傳動和繩輪結構，可以實現兩輛家用轎車的快速停放和取用，并且上層車輛的取放不受下層有無車輛的影響，停車裝置結構緊湊，只占用一個車位的面積；

(2)利用ANSYS Workbench對停車裝置的關鍵構件上載車板、框架導軌座和升降長軸進行了有限元分析，得到了最大應力和最大變形值；研究了風載荷作用下的停車裝置穩定性，證明了其能夠滿足強度、剛度和穩定性的安全要求；

(3)完成了停車裝置模型樣機的制作與調試，結果證明設計的停車裝置可以實現預期功能和目標。