機械式停車設備搬運器舉升機構研究

中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088

0 引言

隨著我國國民經濟水平的提升和汽車行業的發展，汽車保有量持續增加，加之土地資源的緊張，傳統停車場空間利用不足，停車難已經成為現在城市的主要痛點。機械式停車設備逐步成為解決大城市出現停車難問題的有效方法，其中搬運器作為機械式停車設備的重要組成部分，其功能和性能直接影響整個系統的可靠運行。

汽車搬運器主要分為載車板式、抱夾式、梳齒式、輸送帶式和托輥式。除了部分載車板式、輸送帶式和托輥式搬運器外，其余搬運器均需通過舉升機構將汽車抬離地面。載車板式（帶舉升功能）工作方式為車輛?？吭谳d車板上，搬運器在載車板底部抬升載車板將車輛提起；抱夾式工作方式為車輛?？康孛?，搬運器一般通過帶滾輪或者滾筒的斜面對汽車輪胎兩側進行擠壓舉升；梳齒式工作方式為車輛?？寇囄皇猃X架，搬運器通過抬升與車位梳齒錯位的搬運器舉升架從而實現車輛的交換與抬升[1]。

上述常用的車輛搬運器要實現搬運功能，必須具備舉升功能，但由于舉升質量大、頻次高、沖擊大等原因，搬運器舉升機構成為影響搬運器性能的核心因素。因此，設計中需要著重研究搬運器的舉升機構設計。本文通過分析搬運器的舉升特性，系統分析了常用的舉升結構的原理，并進行了比較分析，最后通過計算驗證了各種形式舉升機構的受力情況。

1 搬運器舉升特性分析

大部分搬運器在進行汽車搬運過程中，需要通過舉升機構直接或間接的將汽車抬起。搬運器舉升分為擠壓輪胎式舉升（抱夾式）、抬升輪胎舉升（梳齒式）、抬升升降架舉升（載車板式）等主要情況[2]，分析其原理可知，不管采用何種形式，均需要搬運器產生一個垂直方向的力，將汽車脫離地面約20～30 mm。考慮到舉升距離短、速度快等情況，搬運器的舉升電機一般不采用變頻調速。因此，整個舉升過程中，搬運器的舉升機構在空載與承載的瞬間會承受一個接觸沖擊，然后持續克服汽車及附屬物的重力。

圖1 抱夾式搬運器擠壓輪胎舉升原理示意

圖2 梳齒交換式搬運器抬升輪胎舉升原理示意

圖3 載車板式搬運器抬升升降架舉升原理示意

2 搬運器舉升機構的分類與基本原理

由舉升特性可知，除接觸沖擊以外，在舉升過程中重力保持不變，故舉升力保持恒定。從力學角度來分析，采用的舉升機構是在整個舉升過程中能夠保持不變的舉升力為宜。排除舉升力變化的舉升機構，目前主流有四種舉升解決方案。

2.1 移動凸輪（斜面舉升）

移動凸輪舉升是利用恒定斜率凸輪面進行舉升。斜面不僅可以保持恒定的垂直力，還能夠通過調整斜面角度來實現降低輸入的舉升力矩的效果，通過控制斜面傾角α，可以獲取不同的減速比。

目前主流方案有兩種，一種是抱夾式搬運器利用汽車輪胎參與舉升過程的方案，一種是設置專門的斜面凸輪、承載軸承、驅動機構進行舉升而輪胎不參與舉升過程的方案。

1)抱夾舉升式汽車搬運器利用夾臂在收攏過程中與輪胎之間形成斜面進行舉升。由于結構簡單、緊湊、成本低等因素，在國內被廣泛應用。其舉升原理如圖4所示，搬運器底架上在每個輪胎處設置有可以相向運動的夾臂，夾臂上安裝有與地面成一定角度的滾輪，在夾臂運動過程中，滾輪組與汽車輪胎形成斜面，在夾臂作用下將汽車輪胎搬離地面。由于搬運器夾臂在舉升過程中會擠壓汽車輪胎，特別是搬運器夾臂回轉軸中心距固定時，使得輪胎內外側受力不均，出現內側邊緣承受較大的擠壓力的情況。

圖4 抱夾搬運器舉升原理示意圖

2)設置專門斜面凸輪、承載軸承、驅動機構的進行舉升方案。原理如圖5所示，在底架中設計有斜面、升降架上設置承載軸承（反之亦然），當底架與升降架之間相向運動時，軸承沿著斜面向上爬升，升降架隨之被舉升。斜面的頂部和底部可以設置水平面，以達到機械限制舉升高度和下降高度的目的。

圖5 移動凸輪舉升原理示意圖

2.2 圓柱凸輪（雙螺旋面）舉升

圓柱凸輪舉升機構采用在同一個零件上對稱的布置兩個螺旋面，升降架上設置有兩個對稱布置的承載軸承，當圓柱凸輪沿著軸向旋轉時，兩螺旋面帶動軸承沿著垂直方向進行舉升，從而實現升降架的舉升[3]。由于雙螺旋面僅旋轉180°左右，因此，可在螺旋面的頂部和底部設置水平面，以達到機械限制舉升高度和下降高度的目的。圓柱凸輪舉升原理示意圖見圖6。

圖6 圓柱凸輪舉升原理示意圖

2.3 絲杠舉升

絲杠分為滾珠絲杠和梯形絲杠兩種，通過螺母旋轉轉化為絲杠的直線運動，從而實現升降架的抬升。由于梯形絲杠效率低、磨損快，已經逐漸被滾珠絲杠替代。從原理上而言，絲杠傳動也屬于螺旋面傳動，但由于其工業化程度高、傳動效率高、制造工藝更成熟，因此應用更為廣泛，短距離負載時優勢更為明顯。

基本原理是：當螺母座和螺母安裝在底架上，由電機通過驅動鏈驅動，絲桿就會隨螺母的轉動角度按照對應規格的導程轉化成直線運動，升降架通過滾珠絲杠頂部連接，從而實現對應的直線運動。

2.4 齒輪齒條式舉升

齒輪齒條傳動具有傳遞動力大、效齒高、壽命長、工作平穩、可靠性高、恒定的傳動比等特點[4]，故特別適合搬運器舉升工況。工作原理如圖7所示，搬運器底架上安裝包含電機在內的驅動齒輪，升降架上安裝升降齒條，在導向機構的配合下，齒輪旋轉帶動齒條上下運動，從而實現升降架的舉升。

圖7 齒輪齒條舉升原理示意圖

3 舉升機構的性能和力學分析

圓柱凸輪（雙螺旋面）展開面為等斜率曲線，斜率與旋轉一周舉升高度與凸輪周長有關；絲杠中的絲桿展開面也為等斜率曲線，斜率與絲桿直徑和導程有關；移動凸輪（斜面）為了保證舉升過程力的一致性，也是等斜率斜面。由此可知，上述三種形式原理是一致的，從力學角度而言，力學模型如圖8所示。

圖8 斜面受力分析圖

α為斜面的傾角，mg為汽車重力，F為水平方向推力，Fn為斜面支撐力。其中，水平方向推力F對于圓柱凸輪而言是轉動凸輪的扭矩與凸輪的半徑比值；對于絲杠而言是絲桿的轉矩與絲桿半徑比值；對于移動凸輪而言即為凸輪水平方向推力。

由圖8可知，不考慮摩擦的情況下，當物體靜止在斜面上時，汽車重力、水平方向推力和斜面支撐力能夠實現力學平衡，此時

則水平推力為

齒輪齒條式舉升過程中，齒輪作回轉運動，齒條做直線運動，齒條可以看作一個齒數無窮多的齒輪的一部分，這時齒輪的各圓均變為直線，作為齒廓曲線的漸開線也變為直線。由于齒條作平動，則齒條齒廓線上各點的壓力角均為標準值20°，且等于齒條齒廓的傾斜角。齒輪齒條傳動的性質決定了在舉升過程中，舉升力矩一致。

齒輪的扭矩為Tn，齒條嚙合處的法向力Fn可分解為兩個相互垂直的基準線上的圓周力Ft（齒條為直徑無限大的圓）和沿半徑方向的徑向力Fr，此時

忽略齒面間的摩擦力情況下，Ft=mg，因而

圖9 齒輪齒條受力分析圖

4 結論

詳細分析了機械式停車設備搬運器舉升機構的結構形式和工作原理，并進行了受力分析，特別是通過特性分析，優選的圓柱凸輪、滾軸絲杠、移動凸輪、齒輪齒條等舉升方式，能夠很好地解決現有搬運器舉升過程中存在的各種問題，降低搬運器的研發風險，可為其他搬運器的設計提供參考。