基于SolidWorks三維軟件的移動式側(cè)方停車位設(shè)計

王玉勤，丁澤文，王寅斌，武海峰

(巢湖學(xué)院 機械工程學(xué)院，安徽 巢湖，238000)

隨著社會發(fā)展和進步，汽車的社會保有量在逐年增加，已成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡慕煌ㄔO(shè)備。由于城市的停車設(shè)施建設(shè)明顯滯后于車輛的發(fā)展要求，停車難的問題已經(jīng)嚴(yán)重影響人們的出行和城市運行效率[1]。如何破解停車難的問題，已成為世界各國關(guān)注和研究的重要課題[2]。目前，除了新建和擴建停車場、發(fā)展立體車庫等措施外[3]，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的共享停車和智慧停車等新技術(shù)也應(yīng)運而生，可以充分利用閑置的車位資源以及有效降低車位的占地面積[4-7]。

在進行側(cè)方位停車時，由于操作不熟練，駕駛?cè)藛T往往需要進行反復(fù)的操作才可以入庫；另外，由于車輛在車庫內(nèi)的方位不正，駕駛?cè)藛T在取車時也會帶來一定的麻煩；同時，普通側(cè)方停車位的占地面積也較大。文中結(jié)合現(xiàn)實的生活需求采用SolidWorks三維軟件設(shè)計出了一款移動式側(cè)方停車位，利用SolidWorks motion插件對所設(shè)計出的車位進行實際作業(yè)下性能模擬，以期提高移動式側(cè)方停車位在現(xiàn)實生活中的使用性能，降低設(shè)計成本。

1 移動式側(cè)方停車位組成和工作原理

移動式側(cè)方停車位主要包含液壓桿、絲桿、齒輪齒條等基本傳動構(gòu)件[8]，各部件通過相互之間的配合和特定的運動方式來完成載車板的升降和移動。所設(shè)計的移動式側(cè)方停車位與傳統(tǒng)側(cè)方停車位相比，駕駛?cè)藛T無需多次調(diào)整車輛與停車位的相對位置，直接以直線駛?cè)牒婉偝鲕囄坏姆绞竭M行停取車操作，節(jié)省了停車時間。

1.1 移動式側(cè)方停車位組成

移動式側(cè)方停車位主要由動力系統(tǒng)和承載裝置構(gòu)成。動力系統(tǒng)主要包括液壓桿、絲桿滑臺、絲桿、絲桿底座、齒輪、電機平臺、電機和導(dǎo)向接頭等零部件。承載裝置主要包括載車板、滾輪、導(dǎo)向桿、齒條和滾輪軸等零部件。停車位三維模型如圖1所示。

1-載車板；2-滾輪；3-液壓桿；4-絲桿滑臺；5-絲桿；6-絲桿底座；7-齒條；8-導(dǎo)向桿；9-滾輪軸；10-齒輪；11-電機平臺；12-電機；13-導(dǎo)向接頭圖1 移動式側(cè)方停車位三維模型Fig.1 The 3D model of mobile lateral parking space

1.2 工作原理

滾輪2和導(dǎo)向桿8均安裝于載車板底面，以軸孔形式裝配在一起。圖1中，位于絲桿滑臺4上的液壓桿3起到支撐和移動載車板1的作用；帶有電機12的液壓桿主要作用是在載車板1上升時帶動電機12一同上升，起到保證齒輪10齒條一直處于嚙合狀態(tài)；帶有導(dǎo)向接頭13的液壓桿3下端處于固定狀態(tài)，主要起到支撐載車板1的作用。在工作狀態(tài)下，液壓桿3在壓力作用下均一起上升，使得載車板1下端面高于安裝水平面，滑輪2底端水平切線與安裝水平面共面，當(dāng)載車板1達到預(yù)定高度后，液壓桿3停止工作并進行高度的鎖定。此時，絲桿5及齒輪10均發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)動，通過齒輪10與齒條的嚙合傳動，從而帶動載車板1進行橫向移動；絲桿5轉(zhuǎn)動推動絲桿滑臺4移動，并帶動載車板1進行橫向移動。載車板1移動到相應(yīng)位置后，裝置將停止工作，駕駛員駕駛車輛以直線駛?cè)牖蝰偝鲚d車板從而實現(xiàn)停取車工作。當(dāng)車輛停放或駛出作業(yè)完成后，裝置將進行反向運動直至回到初始位置。移動式側(cè)方停車位的三個工作位置如圖2所示。

I-未工作位置；II-最高工作位置；III-最遠工作位置圖2 移動式側(cè)方停車位的三個工作位置圖Fig.2 Three working positions of mobile lateral parking spaces

接下來，利用SolidWorks motion插件對移動式側(cè)方停車位工作過程中相應(yīng)部件進行運動學(xué)及動力學(xué)分析。

2 移動式側(cè)方停車位仿真及結(jié)果分析

2.1 移動式側(cè)方停車位運動學(xué)仿真

移動式側(cè)方停車位的作業(yè)過程：在0-5s內(nèi)，各液壓桿在壓力作用下伸長12cm，載車板被升起；在5-15s內(nèi)，電機帶動齒輪轉(zhuǎn)動，絲桿也發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)動，推動載車板橫向移動180cm到達指定位置處，完成車輛的停入與取出；在15-25s內(nèi)，齒輪和絲桿反方向轉(zhuǎn)動帶動載車板回到對應(yīng)位置；在25-30s內(nèi)，各液壓桿解鎖，載車板下降回到初始位置。作業(yè)過程主要由液壓桿、齒輪、絲桿的運動來完成。

根據(jù)現(xiàn)行《停車場規(guī)劃設(shè)計規(guī)則》要求，小型機動車停車位長度為500cm，寬度為220-250cm。當(dāng)車輛駛?cè)胍苿邮絺?cè)方停車位時，無需考慮傳統(tǒng)側(cè)方位停車時車輛前后、左右的間隙，只需將車輛駛?cè)胼d車板即可。綜上所述，并參考市面車輛尺寸大小，設(shè)定載車板長度為460cm，寬度為190cm，厚度為12cm，所設(shè)計的側(cè)方停車位有效降低了車位的占地面積。

利用SolidWorks中motion插件對移動式側(cè)方停車位進行仿真分析[9]，模擬出真實的工作過程，預(yù)測出結(jié)構(gòu)設(shè)計對裝置工作性能的影響情況。

采用SolidWorks motion插件所提供的STEP(time,x0,h0,x1,h1)函數(shù)對運動副進行對應(yīng)的驅(qū)動[10]，STEP函數(shù)中time表示時間變量，x0表示某一動作的初始時間，x1表示該動作的結(jié)束時間，h0和h1分別表示該動作的初始和結(jié)束位置。載車板自重50kg，載車板上車輛重1500kg，預(yù)設(shè)置15500N為真實作業(yè)下外力承載情況。通過對移動式側(cè)方停車位作業(yè)過程的分析，得到STEP函數(shù)中液壓桿及絲桿滑臺的運動參數(shù)。STEP函數(shù)中均采取相對坐標(biāo)系對構(gòu)件的位置進行設(shè)定。

液壓桿運動STEP函數(shù)如下：

STEP(time,0,0,5,12)+ STEP(time,25,0,30,-12)

絲桿滑臺運動STEP函數(shù)如下：

STEP(time,5,0,15,180)+ STEP(time,15,0,25,-180)

將所得STEP函數(shù)導(dǎo)入到SolidWorks所設(shè)定的運動副中，即可完成對應(yīng)的仿真任務(wù)[11]，實現(xiàn)由位置Ⅰ到位置Ⅲ以及由位置Ⅲ返回到位置Ⅰ的整個運動過程。為便于分析，選取半個運動過程進行分析，即由位置Ⅰ到位置Ⅲ。

1)載車板的縱向運動學(xué)分析

圖3為載車板縱向運動學(xué)參數(shù)變化曲線圖，在載車板上升過程中，在 0s處載車板的高度為134cm，在5s處高度達到最大值146cm，載車板最大上升高度為12cm，滿足設(shè)計要求的上升高度，且在5s后高度不變滿足液壓桿的自鎖條件；在2.5s處速度達到最大值，且速度變化呈拋物線形式變化，滿足運動速度要求；加速度最大值出現(xiàn)在0s處，且呈減函數(shù)的形式變化，符合液壓桿傳動規(guī)律。

1-速度；2-加速度；3-線性位移圖3 載車板縱向運動學(xué)參數(shù)變化曲線圖Fig.3 Traces of longitudinal kinematic parameters of vehicle loading board

2)載車板橫向運動學(xué)分析

圖4為載車板橫向運動學(xué)參數(shù)變化曲線圖，在載車板橫向移動過程中，在5s處載車板的初始位置為-196cm，在15s處極限位置為-16cm，得到載車板最大平移距離為180cm，滿足設(shè)計要求的平移距離；在10s處速度達到最大值，呈拋物線形式變化，滿足運動速度要求，且在15s時速度為0，滿足到達極限位置停止作業(yè)的設(shè)計要求；加速度最大值出現(xiàn)在5s處，且呈減函數(shù)的形式變化，符合正常絲桿和齒輪齒條傳動的運動規(guī)律。

1-速度；2-加速度；3-線性位移圖4 載車板橫向運動學(xué)參數(shù)變化曲線圖Fig.4 Traces of lateral kinematic parameters of vehicle loading board

2.2 移動式側(cè)方停車位動力學(xué)仿真

整個裝置所受外載荷主要是由于外界施加在載車板上的壓力F，壓力F作用的方向為豎直向下且數(shù)值和方向始終不發(fā)生任何的變化，在SolidWorks里采取外加載荷的方式進行壓力F的加載，并利用上述STEP函數(shù)進行動力學(xué)仿真。

1)載車板縱向受力分析[12]

圖5所示為載車板縱向運動受力曲線圖，在0s時載車板所受動力達到最大值，液壓所提供的推力值為20150N，達到預(yù)期設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；在載車板上升過程中，由運動學(xué)分析可知，加速度為減函數(shù)變化，受力情況也為減函數(shù)形式變化；在5s時載車板受到的合力達到15500N，此時液壓桿將停止工作，整個裝置將只受外載荷F的作用。

圖5 載車板縱向運動受力曲線圖Fig.5 The stress trace of longitudinal motion of vehicle loading board

2)載車板橫向受力分析

圖6所示為載車板橫向運動受力曲線圖，在0～5s內(nèi)橫向受力為0N，此時載車板將不受橫向力作用；在5s時載車板受到的橫向推力達到最大值為17050N，推動載車板發(fā)生橫向移動，在載車板移動過程中，由運動學(xué)分析可知，加速度為減函數(shù)，受力情況以減函數(shù)形式進行變化；在15s時提供的力達到最小值0N，此時絲桿及齒輪齒條將停止運動，整個裝置將只受外載荷F的作用，安裝水平面對載車板底部滑輪向上的推力為-F。

圖6 載車板橫向運動受力曲線圖Fig.6 The stress trace of transverse motion of vehicle loading board

3 移動式側(cè)方停車位實物演示

依據(jù)上述運動學(xué)及動力學(xué)分析，制作如圖7所示移動式側(cè)方停車位。停車位的載車板由快速成型3D機打印而成，絲桿、齒輪、絲桿滑臺和滾輪等構(gòu)件采用機械加工完成。

圖7所示為移動式側(cè)方停車位未工作時的初始狀態(tài)，此時液壓、絲桿、齒輪齒條均未進行相應(yīng)的工作，載車板位于初始位置。

當(dāng)使用者進行停取車時，液壓桿在壓力作用下帶動載車板上升，達到如圖8所示的縱向預(yù)定高度。此時絲桿、齒輪齒條均未開始工作；當(dāng)液壓停止工作后，絲桿及齒輪將發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而推動載車板進行平移運動，達到如圖9所示的橫向極限位置。

圖7 移動式側(cè)方停車位實物圖Fig.7 The physical map of mobile lateral parking space

圖8 移動式側(cè)方停車位縱向運動示意圖Fig.8 A schematic diagram of longitudinal motion of mobile lateral parking spaces

圖9 移動式側(cè)方停車位橫向運動示意圖Fig.9 A schematic diagram of lateral motion of mobile lateral parking spaces

4 總結(jié)

1)為解決目前側(cè)方位停車難的問題，減少駕駛?cè)藛T停車時間，節(jié)約車位占地面積，設(shè)計了移動式側(cè)方停車位。移動式側(cè)方停車位在設(shè)計過程中考慮到設(shè)備的操作靈活性和占地面積，載車板底面兩側(cè)均設(shè)有滾輪，有利于載車板在路面上靈活移動；結(jié)合市面上車輛尺寸大小設(shè)計載車板，降低了整個停車裝置的占地面積。

2)該移動式側(cè)方停車位可以實現(xiàn)以直線駛?cè)牒婉偝龅男问酵瓿绍囕v的停取功能。在對移動式側(cè)方停車位主要部件進行運動學(xué)和動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，通過各部件的相互配合運動規(guī)律，設(shè)計出符合要求的側(cè)方停車位。

3)采用SolidWorks對產(chǎn)品三維模型進行設(shè)計和仿真，實時掌握產(chǎn)品在設(shè)計和使用過程中的各種作業(yè)情況，降低了研究成本，提高了設(shè)計效率。所設(shè)計的側(cè)方停車位，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，占地面積小，具有一定的市場推廣價值。