无避让式立体车库机械结构设计优化与控制系统研究

付建军

(杨凌职业技术学院 机电工程学院,陕西 杨凌 712100)

0 引言

自1886年世界上第一辆汽车诞生后，汽车作为交通工具极大地改善了人们的出行便利性[1]。汽车行业的发展越来越快，但在城市中汽车保有量的增长与有限的停车位之间存在很大的矛盾。泊车位的缺少使得城市停车难问题的解决迫在眉睫。随着机械式汽车车库的兴起，有效地缓解了上述矛盾[2]，减少了土地的占用面积。机械式立体车库在国外已经十分普遍，但在国内，无论是数量还是技术都处于较为落后的阶段，尤其在企事业单位和居民小区都没有将停车空间面积利用起来[3]。我国的立体车库销售额已突破110亿，具有330万个车位保有量，而无避让式立体车库由于占地面积小、安装方式灵活等优点已逐渐在国内的小面积停车场使用起来[4]。近年来，虽然我国在立体式车库上发展速度很快，但在立体式车库的安全性和可靠性方面尚有很大发展空间[5]。因此，对立体车库的进一步分析和研究是势在必行的。

1 无避让式立体车库的结构设计

1.1 整体结构设计

无避让式立体车库采用单侧悬臂梁结构，为了克服倾覆力矩的问题，利用地面铺设工字钢来解决[6]。同时，为了增加可靠性和安全性，加入安全防坠装置和防振杆，如图1和图2所示。

图1 无避让式立体车库

图2 无避让式立体车库

1.2 行走机构的设计计算

在无避让式立体车库中，行走机构可以驱动载车板进行横向移动[7]。首先，要对其速度、摩擦力、爬坡阻力、惯性阻力以及行走电机功率进行计算。初始条件为直行轨道长度为3.4m，车库移动出的时间为20 s，移动出的速度为0.17 m/s，由于小车的车轮周长为0.5 m。则转速如式(1)。

(1)

假设车轮与钢轨的滚动摩擦系数δ为0.000 5，车轮直径D为0.16m，车轮轴承内径d为0.06 m，滚动轴承摩擦系数μ=0.001 5，此时车重G1=30 kN，设备自重为G2=20 kN。则摩擦阻力的表达式如式(2)。

(2)

在计算爬坡阻力时，对于坡度阻力系数一般取0.001—0.002之间[8]，则爬坡阻力、惯性阻力、总摩擦力分别为式(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)

根据轮半径为0.08 m，则所需的转矩为50.28 N·m。电机的输出功率P=F×v=628.5×0.17=115.6 W，同时考虑摩擦、效率等所引起的功率损耗[9]，则取电机的输入功率为250 W就可以完全保证系统的正常运转。那么电机轴的转速为21转/min。在电机驱动下，行走机构驱动轴通过同步带传动使得行走主轴转动，实现载车板的横移，箱体的尺寸为1 170 mm×300 mm×500 mm，如图3所示。

图3 行走机构箱体

1.3 升降机构的设计计算

对于升降机机构的设计则是采用双联卷筒结构，可以有力地保证升降机的升降平稳运行，为了使载车板的结构强度满足称重汽车的要求，利用3根方钢和1根方钢，在斜梁的内侧部署加强筋如图4所示。

图4 载车板三维结构

对于钢丝绳的选用，根据其最大静拉力为12 500N，工作系数为0.1，那么钢丝绳的直径计算为12 mm。如式(6)

(6)

对于卷筒的设计，采用216 mm直径的卷筒，绳槽半径取6.5 mm，绳槽的深度和节距分别为4.5 mm和14 mm，根据具体的设计数据，取卷筒的长度为290 mm。其结构图如图5所示。

图5 双联卷筒结构

同时为了利用动滑轮结构对载车板实现升降，其动滑轮结构图如图6所示。

图6 滑轮结构

图中d代表钢丝绳直径；R代表滑轮绳槽的底半径，绳槽两侧面的夹角为35°—45°，由此可以得出滑轮直径为216 mm。

2 无避让式立体车库的建模及结构优化

2.1 立体车库行走机构与升降机构的建模分析

对于行走结构，其主要关键部件为主轴[10]，对于主轴开展建模分析，一般分成行走主轴的受力分析及强度分析。箱体主轴的受力如图7所示。

图7 主轴的变形量分析

包含了竖直平面、水平面的分析。将主轴展开，进行有限元分析，对于主轴施加50 kN的压力，该压力模拟汽车重力和车库重力[11]，其变形量如图7所示，最大变形量仅为2.36×10-5m，证明主轴的刚度是符合要求的。

升降机构的分析主要是针对于载车板的强度分析，利用有限元软件对载车板的刚度强度进行分析，分析结构如图8所示。

图8 载车板结构分析图

载车板的最大变形量为1.23 cm，最大应力主要位于L形板，其值为90 MPa。

2.2 立体车库溜板的结构优化

结构优化的设计方法有许多种，可以体现在拓扑优化、形状优化、参数优化等等[12]。对于车库溜板的结构优化主要是体现在利用弯曲结构，将背部直板改成弯板结构，使得面积惯性矩大大增加，进而提升安全性能。然后将模型导入到有限元软件中，找出结构中的最大变形量和最大应力处的应力值，然后进行强度分析，找出重要位置的应力，其弯板设计前后的应力值大小变化分别如图9和图10所示。

图9 弯板设计前的各处应力值大小

图10 弯板设计后的各处应力值大小

在质量上几乎没有太大改变的条件下，改进后的变形量达到了1.09 cm，变形量减少了11.5%，在L形板的最大应力也由90 MPa改善至76 MPa，相比于之前，减少了15.7%的最大应力值，性能获得了极大的提升。

2.3 立体车库载车板的结构优化

载车板是车库设计轻量化的关键环节，可以采用三明治结构进行结构优化。由两个外表皮夹着一个形芯组成三明治结构，为了保证层与层之间的支撑效果[13]，具备相同的抗拉、抗压的强度，对于载车板的材料选用钢结构的外边层和波纹铝的内形芯，其结构图如图11所示。

图11 载车板的三明治结构

为了核准该结构的强度的设计要求，进行有限元分析。对于三明治结构的载车板，其最大变形量为2.88 cm，最大应力为155 MPa，相比于设计允许值215 MPa，设计强度是符合要求的，其分析结果如图12所示。

图12 三明治结构的有限元分析结果

3 无避让式立体车库控制程序设计

3.1 控制系统方案设计

为了实现车库的行走、升降和旋转操作，采用可编程控制器来驱动电机进行功能实现。其逻辑的工作流程如图13所示。

图13 无避让式立体车库控制系统逻辑工作流程

首先进行启动，然后进行设备自检，行走电机产生正转，当行走驱动电机停止后，升降电机开始正转。当开关打开后，升降电机停止，旋转电机进行正转，当开关打开后，所有电机停止，计时器开始计时，然后开始三类电机的反转过程。直至最后的断电结束。

3.2 控制系统运行程序设计

控制系统的操作步骤主要可以分成6个部分。第1步是启动驱动电机，等待开始信号。第2步是将传送电机运转起来，遇到限位开关1后，停止运行，开始运行升降电机。第3步骤是将升降电机运转起来，当限位开关2开启后，旋转电机开始工作。第4步是旋转电机开始旋转，限位开关3开启，可编程控制器开始计时。第5步是将汽车停放好后，计时结束。旋转电机开始反转，直至限位开关4开始，使得升降电机开始运转。最后是将第3、2、1步骤的操作进行反向重复，直至最终传送电机停止，系统结束。根据实际条件，系统运行的存取方案设置成4种方式，分别包含手动、自动、手动加断电故障以及自动加断电故障的方案。

4 总结

汽车停车难的问题已经成为城市发展的重要难题，市场上现有的无避让式立体车库种类繁多且操作复杂。为了解决上述问题，在保障产品安全性的条件下，对产品结构和控制方案进行优化升级，并通过仿真软件进行验证。从整体上首先进行分析，然后分别对行走机构、升降机构进行依次分析与建模仿真，并展开了详细的计算过程，利用有限元分析软件进行受力分析和形变分析，对结构优化后的强度进行验证。尤其着重优化了溜板以及载车板的结构，确保优化的可行性。在未来的研究中，可以增加设计方案，增长载车板的行程，降低车辆高度的要求，并且进一步加强溜板上圆柱滚子轴承的强度，避免出现损坏，改善立体车库的可靠性能。