機(jī)械式停車(chē)設(shè)備搬運(yùn)器舉升機(jī)構(gòu)研究

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提升和汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)保有量持續(xù)增加，加之土地資源的緊張，傳統(tǒng)停車(chē)場(chǎng)空間利用不足，停車(chē)難已經(jīng)成為現(xiàn)在城市的主要痛點(diǎn)。機(jī)械式停車(chē)設(shè)備逐步成為解決大城市出現(xiàn)停車(chē)難問(wèn)題的有效方法，其中搬運(yùn)器作為機(jī)械式停車(chē)設(shè)備的重要組成部分，其功能和性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

汽車(chē)搬運(yùn)器主要分為載車(chē)板式、抱夾式、梳齒式、輸送帶式和托輥式。除了部分載車(chē)板式、輸送帶式和托輥式搬運(yùn)器外，其余搬運(yùn)器均需通過(guò)舉升機(jī)構(gòu)將汽車(chē)抬離地面。載車(chē)板式（帶舉升功能）工作方式為車(chē)輛?？吭谳d車(chē)板上，搬運(yùn)器在載車(chē)板底部抬升載車(chē)板將車(chē)輛提起；抱夾式工作方式為車(chē)輛停靠地面，搬運(yùn)器一般通過(guò)帶滾輪或者滾筒的斜面對(duì)汽車(chē)輪胎兩側(cè)進(jìn)行擠壓舉升；梳齒式工作方式為車(chē)輛?？寇?chē)位梳齒架，搬運(yùn)器通過(guò)抬升與車(chē)位梳齒錯(cuò)位的搬運(yùn)器舉升架從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的交換與抬升[1]。

上述常用的車(chē)輛搬運(yùn)器要實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)功能，必須具備舉升功能，但由于舉升質(zhì)量大、頻次高、沖擊大等原因，搬運(yùn)器舉升機(jī)構(gòu)成為影響搬運(yùn)器性能的核心因素。因此，設(shè)計(jì)中需要著重研究搬運(yùn)器的舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文通過(guò)分析搬運(yùn)器的舉升特性，系統(tǒng)分析了常用的舉升結(jié)構(gòu)的原理，并進(jìn)行了比較分析，最后通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證了各種形式舉升機(jī)構(gòu)的受力情況。

1 搬運(yùn)器舉升特性分析

大部分搬運(yùn)器在進(jìn)行汽車(chē)搬運(yùn)過(guò)程中，需要通過(guò)舉升機(jī)構(gòu)直接或間接的將汽車(chē)抬起。搬運(yùn)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(chē)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(yùn)器產(chǎn)生一個(gè)垂直方向的力，將汽車(chē)脫離地面約20～30 mm。考慮到舉升距離短、速度快等情況，搬運(yùn)器的舉升電機(jī)一般不采用變頻調(diào)速。因此，整個(gè)舉升過(guò)程中，搬運(yùn)器的舉升機(jī)構(gòu)在空載與承載的瞬間會(huì)承受一個(gè)接觸沖擊，然后持續(xù)克服汽車(chē)及附屬物的重力。

圖1 抱夾式搬運(yùn)器擠壓輪胎舉升原理示意

圖2 梳齒交換式搬運(yùn)器抬升輪胎舉升原理示意

圖3 載車(chē)板式搬運(yùn)器抬升升降架舉升原理示意

2 搬運(yùn)器舉升機(jī)構(gòu)的分類(lèi)與基本原理

由舉升特性可知，除接觸沖擊以外，在舉升過(guò)程中重力保持不變，故舉升力保持恒定。從力學(xué)角度來(lái)分析，采用的舉升機(jī)構(gòu)是在整個(gè)舉升過(guò)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(jī)構(gòu)，目前主流有四種舉升解決方案。

2.1 移動(dòng)凸輪（斜面舉升）

移動(dòng)凸輪舉升是利用恒定斜率凸輪面進(jìn)行舉升。斜面不僅可以保持恒定的垂直力，還能夠通過(guò)調(diào)整斜面角度來(lái)實(shí)現(xiàn)降低輸入的舉升力矩的效果，通過(guò)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(yùn)器利用汽車(chē)輪胎參與舉升過(guò)程的方案，一種是設(shè)置專(zhuān)門(mén)的斜面凸輪、承載軸承、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行舉升而輪胎不參與舉升過(guò)程的方案。

1)抱夾舉升式汽車(chē)搬運(yùn)器利用夾臂在收攏過(guò)程中與輪胎之間形成斜面進(jìn)行舉升。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、成本低等因素，在國(guó)內(nèi)被廣泛應(yīng)用。其舉升原理如圖4所示，搬運(yùn)器底架上在每個(gè)輪胎處設(shè)置有可以相向運(yùn)動(dòng)的夾臂，夾臂上安裝有與地面成一定角度的滾輪，在夾臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，滾輪組與汽車(chē)輪胎形成斜面，在夾臂作用下將汽車(chē)輪胎搬離地面。由于搬運(yùn)器夾臂在舉升過(guò)程中會(huì)擠壓汽車(chē)輪胎，特別是搬運(yùn)器夾臂回轉(zhuǎn)軸中心距固定時(shí)，使得輪胎內(nèi)外側(cè)受力不均，出現(xiàn)內(nèi)側(cè)邊緣承受較大的擠壓力的情況。

圖4 抱夾搬運(yùn)器舉升原理示意圖

2)設(shè)置專(zhuān)門(mén)斜面凸輪、承載軸承、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的進(jìn)行舉升方案。原理如圖5所示，在底架中設(shè)計(jì)有斜面、升降架上設(shè)置承載軸承（反之亦然），當(dāng)?shù)准芘c升降架之間相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(shè)置水平面，以達(dá)到機(jī)械限制舉升高度和下降高度的目的。

圖5 移動(dòng)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(jī)構(gòu)采用在同一個(gè)零件上對(duì)稱(chēng)的布置兩個(gè)螺旋面，升降架上設(shè)置有兩個(gè)對(duì)稱(chēng)布置的承載軸承，當(dāng)圓柱凸輪沿著軸向旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩螺旋面帶動(dòng)軸承沿著垂直方向進(jìn)行舉升，從而實(shí)現(xiàn)升降架的舉升[3]。由于雙螺旋面僅旋轉(zhuǎn)180°左右，因此，可在螺旋面的頂部和底部設(shè)置水平面，以達(dá)到機(jī)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(jiàn)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(guò)螺母旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為絲杠的直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)升降架的抬升。由于梯形絲杠效率低、磨損快，已經(jīng)逐漸被滾珠絲杠替代。從原理上而言，絲杠傳動(dòng)也屬于螺旋面?zhèn)鲃?dòng)，但由于其工業(yè)化程度高、傳動(dòng)效率高、制造工藝更成熟，因此應(yīng)用更為廣泛，短距離負(fù)載時(shí)優(yōu)勢(shì)更為明顯。

基本原理是：當(dāng)螺母座和螺母安裝在底架上，由電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)鏈驅(qū)動(dòng)，絲桿就會(huì)隨螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)角度按照對(duì)應(yīng)規(guī)格的導(dǎo)程轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，升降架通過(guò)滾珠絲杠頂部連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的直線運(yùn)動(dòng)。

2.4 齒輪齒條式舉升

齒輪齒條傳動(dòng)具有傳遞動(dòng)力大、效齒高、壽命長(zhǎng)、工作平穩(wěn)、可靠性高、恒定的傳動(dòng)比等特點(diǎn)[4]，故特別適合搬運(yùn)器舉升工況。工作原理如圖7所示，搬運(yùn)器底架上安裝包含電機(jī)在內(nèi)的驅(qū)動(dòng)齒輪，升降架上安裝升降齒條，在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的配合下，齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒條上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)升降架的舉升。

圖7 齒輪齒條舉升原理示意圖

3 舉升機(jī)構(gòu)的性能和力學(xué)分析

圓柱凸輪（雙螺旋面）展開(kāi)面為等斜率曲線，斜率與旋轉(zhuǎn)一周舉升高度與凸輪周長(zhǎng)有關(guān)；絲杠中的絲桿展開(kāi)面也為等斜率曲線，斜率與絲桿直徑和導(dǎo)程有關(guān)；移動(dòng)凸輪（斜面）為了保證舉升過(guò)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(xué)角度而言，力學(xué)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(chē)重力，F(xiàn)為水平方向推力，F(xiàn)n為斜面支撐力。其中，水平方向推力F對(duì)于圓柱凸輪而言是轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪的扭矩與凸輪的半徑比值；對(duì)于絲杠而言是絲桿的轉(zhuǎn)矩與絲桿半徑比值；對(duì)于移動(dòng)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(dāng)物體靜止在斜面上時(shí)，汽車(chē)重力、水平方向推力和斜面支撐力能夠?qū)崿F(xiàn)力學(xué)平衡，此時(shí)

則水平推力為

齒輪齒條式舉升過(guò)程中，齒輪作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，齒條做直線運(yùn)動(dòng)，齒條可以看作一個(gè)齒數(shù)無(wú)窮多的齒輪的一部分，這時(shí)齒輪的各圓均變?yōu)橹本€，作為齒廓曲線的漸開(kāi)線也變?yōu)橹本€。由于齒條作平動(dòng)，則齒條齒廓線上各點(diǎn)的壓力角均為標(biāo)準(zhǔn)值20°，且等于齒條齒廓的傾斜角。齒輪齒條傳動(dòng)的性質(zhì)決定了在舉升過(guò)程中，舉升力矩一致。

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

忽略齒面間的摩擦力情況下，F(xiàn)t=mg，因而

圖9 齒輪齒條受力分析圖

4 結(jié)論

詳細(xì)分析了機(jī)械式停車(chē)設(shè)備搬運(yùn)器舉升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，并進(jìn)行了受力分析，特別是通過(guò)特性分析，優(yōu)選的圓柱凸輪、滾軸絲杠、移動(dòng)凸輪、齒輪齒條等舉升方式，能夠很好地解決現(xiàn)有搬運(yùn)器舉升過(guò)程中存在的各種問(wèn)題，降低搬運(yùn)器的研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，可為其他搬運(yùn)器的設(shè)計(jì)提供參考。