旋轉(zhuǎn)升降式雙層立體車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析

黃蓮花 李光明 林土淦

摘要：文章針對傳統(tǒng)立體停車庫存在成本高、占地面積大、存取車過程不方便等問題，設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)升降式結(jié)構(gòu)的雙層立體車庫，分析了立體停車庫的主體結(jié)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)升降式存取車的運(yùn)行原理，并采用ANSYS workbench軟件對立體車庫主體框架進(jìn)行有限元分析。結(jié)果表明：車庫整體結(jié)構(gòu)的變形最大位移為1.132 mm，在正常的停車荷載工況下，立體車庫能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，說明了旋轉(zhuǎn)升降式存取車原理的可行性。該雙層立體車庫實(shí)現(xiàn)了存取車過程上下兩層車位互不干擾，可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)、方便快捷、具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)升降;雙層立體車庫;ANSYS Workbench;有限元分析

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們對汽車的需求也越來越多，汽車的保有量也隨之劇增，但由于停車位有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足飛速增長的汽車市場保有量的停車需求。大中城市私人擁有汽車數(shù)量的迅猛遞增，引起的停車?yán)щy成為困擾城市生活的重大難題，立體停車裝置對解決城市的靜態(tài)交通所起的作用越來越受到行業(yè)內(nèi)外的關(guān)注。目前國內(nèi)立體停車裝置主要以升降橫移式為主，還有垂直升降式和平面移動(dòng)式。在技術(shù)上，從機(jī)械傳動(dòng)式向液壓傳動(dòng)式、機(jī)械液壓傳動(dòng)式、電傳動(dòng)式發(fā)展;在控制方式上，由手動(dòng)控制發(fā)展到電氣控制[1]、互聯(lián)網(wǎng)控制。大型立體停車裝置的研制開發(fā)能很好地解決停車難的問題，但由于成本高、占地面積大，有些小型立體停車裝置由于存取車不方便、取車等待時(shí)間太長等也得不到業(yè)主的認(rèn)可，導(dǎo)致立體車裝置的推廣受到一定的限制。因此，研制一種基于“綠色、高效、共享”理念的雙層立體車庫，成本低，提高空間利用率，對解決停車難問題具有重大意義。本課題研究的旋轉(zhuǎn)升降式雙層立體停車庫屬于一款智能化而又獨(dú)立的高端產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)與工作原理簡單，存取車方便、快捷、安全可靠，很好地解決了路邊、小區(qū)、大型停車場、住宅私人車位擴(kuò)展空間等特殊環(huán)境停車難的問題。特別是現(xiàn)在新能源汽車成為家庭擁有第二部車的首選，但很多家庭只購買一個(gè)車位，第二部車的停放困擾著擁有兩輛車的家庭。設(shè)計(jì)研制的便攜式雙層立體停車裝置特別適用于在自家原有的車位上再擴(kuò)充一個(gè)車位，其或?qū)⒊蔀榻鉀Q停車難的有效手段。

1 車庫的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙層立體停車庫主要由底部支撐架、水平移動(dòng)絲杠機(jī)構(gòu)、升降絲杠機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、上層停車托盤、下層停車托盤、控制電機(jī)、控制裝置等部件組成，如圖1所示。上層停車裝置共有3個(gè)自由度，分別是左右移動(dòng)、上下升降、90°旋轉(zhuǎn)，三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)各由一個(gè)電機(jī)控制。水平方向移動(dòng)由控制電機(jī)1、螺旋絲桿與滑塊組成，電機(jī)軸與絲桿通過聯(lián)軸器連接，實(shí)現(xiàn)升降滾珠絲杠副水平移動(dòng)和控制上層停車托盤進(jìn)出車位。停車裝置的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，由兩塊圓形鋼板與圓形軸承組成并且固定在一起，將升降滾珠絲杠副底端固定在圓形鋼板頂部，圓形鋼板的底部固定控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的電機(jī)軸用特制的鋼板條與圓形鋼板固定在一起，電機(jī)工作時(shí)帶動(dòng)升降滾珠絲杠副上下移動(dòng)，使上層停車托盤實(shí)現(xiàn)90°旋轉(zhuǎn)，把上層托盤停放在停車場過道上，方便汽車開出上層停車托盤。

車主在存取車輛時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)車主需要來運(yùn)行上層停車托盤，如圖2所示。當(dāng)車主取車時(shí)，通過手機(jī)APP啟動(dòng)車位“取車”按鈕，控制系統(tǒng)會(huì)控制水平方向電機(jī)，使上層停車托盤退出車位，上層停車托盤移動(dòng)到指定位置時(shí)，位置傳感器觸發(fā)，水平方向電機(jī)停止向前。這時(shí)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)90°將上層停車托盤轉(zhuǎn)到停車場過道，啟動(dòng)升降電機(jī)，使上層停車托盤下降，下降到地面時(shí)，位置傳感器觸發(fā)即停止工作，車主上車把車開走，用手機(jī)APP啟動(dòng)“取車完成”按鈕，上層停車托盤自動(dòng)復(fù)位，即為“完成取車過程”。當(dāng)車主存車時(shí)，啟動(dòng)車位“停車”按鈕，上層停車托盤自動(dòng)降到停車場過道，車主把車開上停車托盤，車主下車后，用手機(jī)APP啟動(dòng)“停車完成”按鈕，升降控制電機(jī)通過升降滾珠絲杠副將托盤向上升起，上升到位后，位置傳感器觸發(fā)，停車上升。再由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將托盤向停車位旋轉(zhuǎn)90°，將車停放到指定位置，即完成“存車過程”。雙層停車裝置上層停車托盤四周安裝有7組位置檢測傳感器，上層停車托盤在存取車輛的過程中，如傳感器檢測到有障礙物阻攔了托盤運(yùn)行，傳感器回饋信息到控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)將啟動(dòng)安全回路系統(tǒng)斷開電路，車庫裝置停止運(yùn)行。當(dāng)障礙物消失時(shí)，安全回路系統(tǒng)將恢復(fù)停車托盤的工作狀態(tài)，確保停車裝置工作的安全與可靠。

2 上層停車托盤運(yùn)動(dòng)方案

立體車庫上層停車托盤在存取車過程中，托盤的升降主要由滾珠絲杠螺母副和蝸輪蝸桿控制，托盤回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)控制。

上層停車托盤的運(yùn)動(dòng)有進(jìn)出車位水平移動(dòng)、托盤提升至上層位置的垂直升降運(yùn)動(dòng)。這兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)主要由滾珠絲杠副控制。滾珠絲杠副可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的裝置[2]。絲杠與螺母之間有弧形螺旋槽。當(dāng)它們套在一起時(shí)，形成一個(gè)螺旋形的滾道，滾道里裝滿滾珠。當(dāng)絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠沿著滾道流動(dòng)，從而使其發(fā)生軸向移動(dòng)。滾動(dòng)傳動(dòng)能有效降低摩擦阻力，因此，滾珠絲杠副具有傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、使用壽命長、精度高、可逆性好等特點(diǎn)[3]。滾珠絲杠副是一種高精密傳動(dòng)的部件，把它應(yīng)用于本雙層立體停車庫中，實(shí)現(xiàn)了上層停車庫高精度的位置控制。但是，滾珠絲杠本身無法鎖定，電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠之間的聯(lián)軸器需裝有抱閘裝置。

上托盤回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)控制，主要由直流控制電機(jī)、箱體、蝸輪、軸承和軸組成，用法蘭或轉(zhuǎn)矩臂與兩塊轉(zhuǎn)動(dòng)圓形鋼板安裝。為了提高工作效率，蝸輪的材料一般采用有色金屬，蝸桿采用硬鋼材料。蝸輪蝸桿馬達(dá)是一種非常實(shí)用的減速器，體積小，重量輕。它可以很好地組合所有的附件和裝置，并且可以直接安裝在設(shè)備側(cè)面的輸入軸上，無須傳動(dòng)部件，節(jié)省了大量的安裝空間[4]，可降低整體成本。因?yàn)樗梢宰鳛橐粋€(gè)整體直接安裝，避免了與變速器等其他傳動(dòng)部分的接觸。由于電機(jī)、變速箱等機(jī)械設(shè)備可以組合在一起，安裝調(diào)試非常方便。

3 車庫主體結(jié)構(gòu)有限元分析

有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）采用數(shù)學(xué)逼近的方法來模擬真實(shí)的物理系統(tǒng)（幾何和載荷條件），即使用簡單而有相互作用的元素（即單元），可以使用有限個(gè)未知量來逼近無限個(gè)未知量的真實(shí)系統(tǒng)。有限元分析求解的思路是將無限個(gè)自由度的連續(xù)求解區(qū)域離散為有限個(gè)自由度的離散體（單元），并以一定的方式（節(jié)點(diǎn)）相互連接，即將連續(xù)體劃分為數(shù)目有限的離散單元，單元之間僅在數(shù)目有限的指定點(diǎn)處聯(lián)結(jié)，用離散單元的集合體代替原來的連續(xù)體[5]。在有限元法中，將連續(xù)體劃分為多個(gè)連續(xù)單元，每個(gè)單元若干節(jié)點(diǎn)的位移作為未知。即{δ}e=[ui，vi，wi，…]T，單元體內(nèi)任一點(diǎn)的位移為{f}=[u，v，w]T。

3.2 主體框架變形與應(yīng)力分析

雙層車庫主體框架選用Q345碳素合金鋼，Q345的彈性模量E=206 MPa，泊松比μ=0.3，密度是7 850 kg/m3，其綜合性能好，低溫性能好，冷沖壓性能、焊接性能和可切削性能均較好[12]。主體框架設(shè)計(jì)制作后，為檢驗(yàn)車庫的強(qiáng)度和剛度，利用ANSYS workbench對其進(jìn)行有限元分析。通過有限元分析完成之后得到模型的等效應(yīng)力（Equivalent Stress）云圖和總的變形量（Total Deformation）云圖，如圖5所示。通過變形量云圖可以看出車庫結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果：結(jié)構(gòu)的最大位移為1.132 mm，發(fā)生在立體車庫結(jié)構(gòu)的上層停車托盤邊緣位置，上層停車托盤傾斜很小，與按照1∶5比例研制實(shí)際立體車庫模型變形情況相符，符合立體車庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[11]。在車庫結(jié)構(gòu)的其他位置，結(jié)構(gòu)變形量很小，整體結(jié)構(gòu)的最大位移較小，并不會(huì)影響車庫的正常運(yùn)行，因此車庫在綜合荷載工況下，能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。

通過車庫模型的等效應(yīng)力（Equivalent Stress）云圖如圖6所示，結(jié)構(gòu)最大Mises應(yīng)力為162.25 MPa。最大應(yīng)力數(shù)值低于材料的屈服強(qiáng)度345.00 MPa，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較大。在車庫結(jié)構(gòu)的其他位置，大部分區(qū)域的Mises應(yīng)力都比較小，說明在承受綜合荷載的工況下，結(jié)構(gòu)能夠正常運(yùn)行，不會(huì)發(fā)生破壞。支撐柱變形量不大，上層托盤支撐架稍有變形，但變形量小，不影響車位的旋轉(zhuǎn)。故上層托盤支撐架可以承受車輛對其的靜應(yīng)力荷載，整體車庫結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，在滿足基本的停取車功能下，自身的強(qiáng)度也有保證。

利用ANSYS分析車庫上層停車托盤的靜力變形和應(yīng)力集中的結(jié)果為：對車庫上層停車托盤底部支撐路徑等效應(yīng)力最大Mises應(yīng)力為18.122 kPa，發(fā)生在倒角以下的位置，如圖7（a）所示。車庫上層停車托盤底圈環(huán)形路徑等效應(yīng)力最大Mises應(yīng)力為83.664 MPa，發(fā)生在路徑中間接觸位置，如圖7（b）所示。

3.3 主體框架模態(tài)分析

為確定立體車庫的固有振動(dòng)特性，避免在特定頻率下產(chǎn)生立體車庫的共振，對其進(jìn)行模態(tài)分析。車庫結(jié)構(gòu)對于整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)體系起到承上啟下的作用，同時(shí)，該結(jié)構(gòu)的自然振動(dòng)頻率不能與驅(qū)動(dòng)電機(jī)激勵(lì)頻率相互接近，避免發(fā)生共振。為了研究車庫結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率特性，這里對車庫結(jié)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行了模態(tài)分析，模態(tài)分析階數(shù)為前6階。由于車庫結(jié)構(gòu)模型較復(fù)雜，不可能求出全部的固有頻率和主振型，因此，只求出了車庫整體鋼結(jié)構(gòu)滿載情況下的前6階固有頻率和主振型，計(jì)算所得車庫結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率如表1所示。

模態(tài)分析結(jié)果表明：一階車庫整體振動(dòng)變形較小，整個(gè)車庫鋼結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生在上層托盤左前橫梁與縱梁的連接處，上層停車托盤相較于其他部位變形較大;二階車庫整體振動(dòng)變形與一階相比，變化不大;三階車庫結(jié)構(gòu)變形開始出現(xiàn)在上層停車托盤的右前橫梁與縱梁的連接處，整個(gè)車庫鋼結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生在上層停車托盤的右邊頂角處;四階車庫整體結(jié)構(gòu)變形不大，最大變形發(fā)生在上層托盤左后橫梁與縱梁的連接處;五階車庫整體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形量較大，最大變形發(fā)生在上層托盤的左前橫梁與縱梁，變形量最大;六階與五階變形位置不變，但具有減小的趨勢。在這些固有頻率下，立體車庫發(fā)生振動(dòng)容易對車庫鋼架結(jié)構(gòu)造成一定的壞破，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成車庫鋼架結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形而影響車庫的工作安全性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該避免車庫本身在使用時(shí)對鋼架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有害的振動(dòng)頻率，在操作時(shí)要避免引發(fā)車庫鋼架結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的固有頻率。分析可知，立體車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較合理，滿足立體車庫正常的存取車需求[13]。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的雙層停車庫整體結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS workbench完成了對車庫結(jié)構(gòu)的主體框架變形與應(yīng)力分析及實(shí)際工況下的車庫鋼架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度分析，驗(yàn)證了車庫整體結(jié)構(gòu)的可靠性。同時(shí)，對車庫整體鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)行中前6階固有頻率進(jìn)行了結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)分析，為在實(shí)際工程中提出避免車庫鋼架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)因共振影響穩(wěn)定性而采用相應(yīng)措施提供了依據(jù)，也為工程實(shí)踐提供了有價(jià)值的參考。本雙層立體停車庫占地面積小、存取車過程中上下層停車位互不干擾、方便靈活、適用面廣，可用于路邊、住宅小區(qū)、地下停車場等場所，解決了目前汽車保有量越來越多而導(dǎo)致的停車難問題，具有較高的市場推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]湯 偉.升降橫移式立體車庫結(jié)構(gòu)優(yōu)化及控制策略分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2008.

[2]張子鋒.滾珠絲杠副故障測試試驗(yàn)臺與測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京：東南大學(xué)，2015.

[3]賈同威.便捷升降式地下立體停車庫的設(shè)計(jì)及研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2016.

[4]張海艷.滾珠絲杠副在中包車上的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（28）：145.

[5]陳 曦，張 彪.有限元分析技術(shù)概述及優(yōu)化實(shí)例[J].裝備制造技術(shù)，2016（7）：13-15.

[6]任 云.軟土地區(qū)基坑開挖工程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體位移的三維有限元分析[J].工程質(zhì)量，2017，35（5）：9-14.

[7]林清泉.萬能式斷路器遙控?fù)u出裝置開發(fā)[D].福州：福州大學(xué)，2017.

[8]蔣俊杰，沈星宇.兩層升降橫移式立體車庫鋼結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2016（7）：10-15.

[9]段鐵群，于朋揚(yáng)，姚 石.立體停車設(shè)施主體框架有限元分析[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，22（5）：24-29，34.

[10]孟祥麗.升降橫移式立體車庫鋼結(jié)構(gòu)有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（17）：101.

[11]DGJ 08-60-2006，機(jī)械式停車庫（場）設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[12]劉 凱.基于ANSYS的新型堆垛式立體車庫結(jié)構(gòu)有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2019，48（10）：23-28.

[13]孟廣耀，穆國振，王文濤，等.新型立體車庫設(shè)計(jì)及分析[J].中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2019，17（4）：340-344.

收稿日期：2020-06-02