無避讓式立體車庫機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與控制系統(tǒng)研究

付建軍

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

0 引言

自1886年世界上第一輛汽車誕生后，汽車作為交通工具極大地改善了人們的出行便利性[1]。汽車行業(yè)的發(fā)展越來越快，但在城市中汽車保有量的增長(zhǎng)與有限的停車位之間存在很大的矛盾。泊車位的缺少使得城市停車難問題的解決迫在眉睫。隨著機(jī)械式汽車車庫的興起，有效地緩解了上述矛盾[2]，減少了土地的占用面積。機(jī)械式立體車庫在國(guó)外已經(jīng)十分普遍，但在國(guó)內(nèi)，無論是數(shù)量還是技術(shù)都處于較為落后的階段，尤其在企事業(yè)單位和居民小區(qū)都沒有將停車空間面積利用起來[3]。我國(guó)的立體車庫銷售額已突破110億，具有330萬個(gè)車位保有量，而無避讓式立體車庫由于占地面積小、安裝方式靈活等優(yōu)點(diǎn)已逐漸在國(guó)內(nèi)的小面積停車場(chǎng)使用起來[4]。近年來，雖然我國(guó)在立體式車庫上發(fā)展速度很快，但在立體式車庫的安全性和可靠性方面尚有很大發(fā)展空間[5]。因此，對(duì)立體車庫的進(jìn)一步分析和研究是勢(shì)在必行的。

1 無避讓式立體車庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無避讓式立體車庫采用單側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)，為了克服傾覆力矩的問題，利用地面鋪設(shè)工字鋼來解決[6]。同時(shí)，為了增加可靠性和安全性，加入安全防墜裝置和防振桿，如圖1和圖2所示。

圖1 無避讓式立體車庫

圖2 無避讓式立體車庫

1.2 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

在無避讓式立體車庫中，行走機(jī)構(gòu)可以驅(qū)動(dòng)載車板進(jìn)行橫向移動(dòng)[7]。首先，要對(duì)其速度、摩擦力、爬坡阻力、慣性阻力以及行走電機(jī)功率進(jìn)行計(jì)算。初始條件為直行軌道長(zhǎng)度為3.4m，車庫移動(dòng)出的時(shí)間為20 s，移動(dòng)出的速度為0.17 m/s，由于小車的車輪周長(zhǎng)為0.5 m。則轉(zhuǎn)速如式(1)。

(1)

假設(shè)車輪與鋼軌的滾動(dòng)摩擦系數(shù)δ為0.000 5，車輪直徑D為0.16m，車輪軸承內(nèi)徑d為0.06 m，滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)μ=0.001 5，此時(shí)車重G1=30 kN，設(shè)備自重為G2=20 kN。則摩擦阻力的表達(dá)式如式(2)。

(2)

在計(jì)算爬坡阻力時(shí)，對(duì)于坡度阻力系數(shù)一般取0.001—0.002之間[8]，則爬坡阻力、慣性阻力、總摩擦力分別為式(3)—式(5)。

Ff2=(G1+G2)k2=(30 000+20 000)·0.001 5=75N

(3)

(4)

F=Ff1+Ff2+Ff3=511+75+42.5=628.5N

(5)

根據(jù)輪半徑為0.08 m，則所需的轉(zhuǎn)矩為50.28 N·m。電機(jī)的輸出功率P=F×v=628.5×0.17=115.6 W，同時(shí)考慮摩擦、效率等所引起的功率損耗[9]，則取電機(jī)的輸入功率為250 W就可以完全保證系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。那么電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速為21轉(zhuǎn)/min。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)軸通過同步帶傳動(dòng)使得行走主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)載車板的橫移，箱體的尺寸為1 170 mm×300 mm×500 mm，如圖3所示。

圖3 行走機(jī)構(gòu)箱體

1.3 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

對(duì)于升降機(jī)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)則是采用雙聯(lián)卷筒結(jié)構(gòu)，可以有力地保證升降機(jī)的升降平穩(wěn)運(yùn)行，為了使載車板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足稱重汽車的要求，利用3根方鋼和1根方鋼，在斜梁的內(nèi)側(cè)部署加強(qiáng)筋如圖4所示。

圖4 載車板三維結(jié)構(gòu)

對(duì)于鋼絲繩的選用，根據(jù)其最大靜拉力為12 500N，工作系數(shù)為0.1，那么鋼絲繩的直徑計(jì)算為12 mm。如式(6)

(6)

對(duì)于卷筒的設(shè)計(jì)，采用216 mm直徑的卷筒，繩槽半徑取6.5 mm，繩槽的深度和節(jié)距分別為4.5 mm和14 mm，根據(jù)具體的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，取卷筒的長(zhǎng)度為290 mm。其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 雙聯(lián)卷筒結(jié)構(gòu)

同時(shí)為了利用動(dòng)滑輪結(jié)構(gòu)對(duì)載車板實(shí)現(xiàn)升降，其動(dòng)滑輪結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 滑輪結(jié)構(gòu)

圖中d代表鋼絲繩直徑；R代表滑輪繩槽的底半徑，繩槽兩側(cè)面的夾角為35°—45°，由此可以得出滑輪直徑為216 mm。

2 無避讓式立體車庫的建模及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 立體車庫行走機(jī)構(gòu)與升降機(jī)構(gòu)的建模分析

對(duì)于行走結(jié)構(gòu)，其主要關(guān)鍵部件為主軸[10]，對(duì)于主軸開展建模分析，一般分成行走主軸的受力分析及強(qiáng)度分析。箱體主軸的受力如圖7所示。

圖7 主軸的變形量分析

包含了豎直平面、水平面的分析。將主軸展開，進(jìn)行有限元分析，對(duì)于主軸施加50 kN的壓力，該壓力模擬汽車重力和車庫重力[11]，其變形量如圖7所示，最大變形量?jī)H為2.36×10-5m，證明主軸的剛度是符合要求的。

升降機(jī)構(gòu)的分析主要是針對(duì)于載車板的強(qiáng)度分析，利用有限元軟件對(duì)載車板的剛度強(qiáng)度進(jìn)行分析，分析結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 載車板結(jié)構(gòu)分析圖

載車板的最大變形量為1.23 cm，最大應(yīng)力主要位于L形板，其值為90 MPa。

2.2 立體車庫溜板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法有許多種，可以體現(xiàn)在拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化等等[12]。對(duì)于車庫溜板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是體現(xiàn)在利用彎曲結(jié)構(gòu)，將背部直板改成彎板結(jié)構(gòu)，使得面積慣性矩大大增加，進(jìn)而提升安全性能。然后將模型導(dǎo)入到有限元軟件中，找出結(jié)構(gòu)中的最大變形量和最大應(yīng)力處的應(yīng)力值，然后進(jìn)行強(qiáng)度分析，找出重要位置的應(yīng)力，其彎板設(shè)計(jì)前后的應(yīng)力值大小變化分別如圖9和圖10所示。

圖9 彎板設(shè)計(jì)前的各處應(yīng)力值大小

圖10 彎板設(shè)計(jì)后的各處應(yīng)力值大小

在質(zhì)量上幾乎沒有太大改變的條件下，改進(jìn)后的變形量達(dá)到了1.09 cm，變形量減少了11.5%，在L形板的最大應(yīng)力也由90 MPa改善至76 MPa，相比于之前，減少了15.7%的最大應(yīng)力值，性能獲得了極大的提升。

2.3 立體車庫載車板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

載車板是車庫設(shè)計(jì)輕量化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以采用三明治結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。由兩個(gè)外表皮夾著一個(gè)形芯組成三明治結(jié)構(gòu)，為了保證層與層之間的支撐效果[13]，具備相同的抗拉、抗壓的強(qiáng)度，對(duì)于載車板的材料選用鋼結(jié)構(gòu)的外邊層和波紋鋁的內(nèi)形芯，其結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。

圖11 載車板的三明治結(jié)構(gòu)

為了核準(zhǔn)該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行有限元分析。對(duì)于三明治結(jié)構(gòu)的載車板，其最大變形量為2.88 cm，最大應(yīng)力為155 MPa，相比于設(shè)計(jì)允許值215 MPa，設(shè)計(jì)強(qiáng)度是符合要求的，其分析結(jié)果如圖12所示。

圖12 三明治結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果

3 無避讓式立體車庫控制程序設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)車庫的行走、升降和旋轉(zhuǎn)操作，采用可編程控制器來驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)。其邏輯的工作流程如圖13所示。

圖13 無避讓式立體車庫控制系統(tǒng)邏輯工作流程

首先進(jìn)行啟動(dòng)，然后進(jìn)行設(shè)備自檢，行走電機(jī)產(chǎn)生正轉(zhuǎn)，當(dāng)行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止后，升降電機(jī)開始正轉(zhuǎn)。當(dāng)開關(guān)打開后，升降電機(jī)停止，旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)，當(dāng)開關(guān)打開后，所有電機(jī)停止，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，然后開始三類電機(jī)的反轉(zhuǎn)過程。直至最后的斷電結(jié)束。

3.2 控制系統(tǒng)運(yùn)行程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的操作步驟主要可以分成6個(gè)部分。第1步是啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，等待開始信號(hào)。第2步是將傳送電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，遇到限位開關(guān)1后，停止運(yùn)行，開始運(yùn)行升降電機(jī)。第3步驟是將升降電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，當(dāng)限位開關(guān)2開啟后，旋轉(zhuǎn)電機(jī)開始工作。第4步是旋轉(zhuǎn)電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，限位開關(guān)3開啟，可編程控制器開始計(jì)時(shí)。第5步是將汽車停放好后，計(jì)時(shí)結(jié)束。旋轉(zhuǎn)電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，直至限位開關(guān)4開始，使得升降電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。最后是將第3、2、1步驟的操作進(jìn)行反向重復(fù)，直至最終傳送電機(jī)停止，系統(tǒng)結(jié)束。根據(jù)實(shí)際條件，系統(tǒng)運(yùn)行的存取方案設(shè)置成4種方式，分別包含手動(dòng)、自動(dòng)、手動(dòng)加斷電故障以及自動(dòng)加斷電故障的方案。

4 總結(jié)

汽車停車難的問題已經(jīng)成為城市發(fā)展的重要難題，市場(chǎng)上現(xiàn)有的無避讓式立體車庫種類繁多且操作復(fù)雜。為了解決上述問題，在保障產(chǎn)品安全性的條件下，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和控制方案進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，并通過仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證。從整體上首先進(jìn)行分析，然后分別對(duì)行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行依次分析與建模仿真，并展開了詳細(xì)的計(jì)算過程，利用有限元分析軟件進(jìn)行受力分析和形變分析，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。尤其著重優(yōu)化了溜板以及載車板的結(jié)構(gòu)，確保優(yōu)化的可行性。在未來的研究中，可以增加設(shè)計(jì)方案，增長(zhǎng)載車板的行程，降低車輛高度的要求，并且進(jìn)一步加強(qiáng)溜板上圓柱滾子軸承的強(qiáng)度，避免出現(xiàn)損壞，改善立體車庫的可靠性能。