侧向平移停车装置的设计

张友湖 张志国

(武汉工程职业技术学院 湖北 武汉：430080)

随着家庭乘用车的普及，住宅小区停车难的问题日益凸显。一些较早建设的居民小区，由于建造之初，未预计到汽车的快速普及，往往没有建设地下停车场，地面房屋之间的通道也较为狭窄，通常只容纳一辆汽车通过，通道两边种有绿化草和树，如图1所示。查阅居民小区停车装置的相关资料，发现已有的停车装置都是以牺牲草地为代价，且停车时为直向行驶进停车位。为增加小区停车位，有些小区物业不惜毁掉草地和树木，以满足停车需求。根据调查，本地小区所种绿化树大多为樟树，两树间距大多在5米左右，刚好能够容纳一辆家用汽车横向停放。如果能够较好地保护绿化的同时，合理利用通道两边绿化树间草地上面空间，设计出简易停车装置，用来停放车辆，可在一定程度增加小区停车位数量。

图1 小区停车情况

1 侧向平移停车装置总体结构设计

侧向平移停车装置总体结构由槽型滑轨组、滑轨滚轮组、停车平台、螺旋传动机构、地面支撑轮组、电机传动机构等部分组成，如图2所示。槽型滑轨组由四个基座固定于两棵绿化树之间的草地上，停车平台靠通道一侧安装三组地面支撑轮组，平台受四个车轮承压处对称安装四组滑轨滚轮，四组滑轨滚轮可在两根槽型滑轨的轨道内来回滚动，停车平台可由三组地面支撑轮和四组滑轨滚轮的支撑保持水平状态。停车平台在外力作用下，可依靠地面支撑轮和滑轨滚轮组，沿槽型滑轨来回平行移动。螺旋传动机构的螺杆在低速电机带动下，可进行顺时针或逆时针转动，从而带动停车平台沿槽型滑轨来回移动，实现将停放于停车平台上的汽车在树间槽轨和小区通道之间来回搬运的目的。停车平台运动的两端极限位置各安装有行程开关，以限制平台的运动超程运动。

图2 侧向平移停车装置总体结构

2 停车平台运动分析[1-2]

一台家用轿车的质量以2000kg计算，滑轨滚轮组与槽型滑轨之间的滚动摩擦系数约等于0.05，橡胶轮胎与混凝土路面之间的滚动摩擦系数为0.018-0.025，螺旋传动摩擦系数(无润滑)约为0.18，可通过公式计算2000kg×0.025×0.18×10N/kg，可得出转动螺杆约需90牛顿的力。

当螺旋传动机构的螺杆转过角φ时，螺母沿螺杆的轴向移动距离s=l*φ/2πmm，其中l为螺距，螺杆导程为10mm，螺杆每转动一圈，停车平台移动10mm,停车平台宽度为2000mm,从草地停放位置移出到通道，需转动螺杆200转，如在螺杆上加装转动手柄，可进一步降低转动螺杆所需的力，但是平台进出时间较长，经测算停好汽车约需8分钟时间，这显然超出了现代人快节奏生活的习惯。如采用低速电机作为动力源，带动螺杆转动，可有效解决平台移动慢的问题。工作电压为220V的低速电机自带减速增扭机构，转速在每分钟300转以内，具有免维护，噪声低，寿命长的优点，适合户外工作。利用低速电机作为螺旋传动的动力源，平台进出时间不超过2分钟，完成停车过程只需3分钟左右，基本符合车主对停车时间的心理忍受力。

3 侧向平移停车装置受力分析

侧向平移停车装置的三维模型是基于Pro/Engineer进行建模设计，为设计和制造方便，装置的框架结构均选用制造材料里的各类常见型材，除支撑轮机构中与地面接触的滚轮使用塑胶复合材料，其它零部件均为普通钢材。进行受力分析时，使用的是ansys workbench分析软件，ansys分析软件可以非常快捷地调用基于Pro/Engineer创建的三维模型，且导入的三维模型无失真现象。在下面使用ansys进行各工况受力分析时，侧向平移停车装置中地面支撑轮材料选用聚乙烯(Polyethylene)，其它均选用结构钢(structural steel)。滚动滑轨选用的是重型槽轨，其横截面结构如图3所示，滚轮组只可沿槽轨作轴线方向滚动，其他方向自由度均被限制。停车平台由普通型钢及圆型钢管焊接而成，四组滚轮与停车平台固接，平台靠通道侧有三组支撑轮，在平台移出泊车时作为平台一侧的支撑。

图3 槽轨结构

基于ansys workbench的静态结构受力分析，分为预处理和后处理两部分，其中预处理由模型导入、设置零部件材料、划分网格、施加约束、施加载荷等几部分组成；后处理则包含分析计算、查看分析结果等两部分。

从侧向平移停车装置工作过程可以看出，需进行静态结构受力分析的工况主要有三种：

(1)停车平台移出泊车时，汽车前轮通过坡道压到平台的工况，简称工况1；

(2)停车平台移出泊车时，汽车停上平台的工况，简称工况2；

(3)停车平台泊好车，返回处于草地之上的槽轨后的工况，简称工况3。

3.1 工况1的受力分析

工况1为停车平台移出泊车，前轮通过坡道接触到平台时，停车装置的受力过程。在ansys workbench导入模型、添加材料、网格划分、施加载荷、施加约束。由于是汽车刚进入平台，故载荷只施加在停车平台的一边横梁上，汽车两前轮对平台横梁施加的载荷大小各为5000N。此工况有两种约束，一为固定约束(Fixed support),施加给固定地面的四个基座，另一种为压紧约束(Compression only support)，为支撑轮与地面之间的约束，施加于支撑轮。完成载荷及约束施加之后，便进入计算(Solution)阶段，通过解答(Solve)，可得出等效应力(Equivalent Stress)云图、等效弹性(Equivalent Elastic Strain)应变云图及总体变形(Total Deformation)云图。从图4应力云图可以看出，工况1最大应力为140MPa，发生在平台左侧与槽轨滚轮接触处，远小于相应厚度普通钢板的最大许可强度应力[3]，总体变形量也在可承受范围之内。

图4 工况1应力云图

3.2 工况2的受力分析

工况2为停车平台移出停好车之后的情况，导入Pro/ENGINEER三维模型,设置材料数据、网格(Mesh)划分，再施加载荷和约束。当汽车停上停车平台之后，各车轮均匀分布车身的重量，4个车轮与平台的接触位置各施加5000N的集中力，约束同工况1。经过解答(Solve)和计算(Solution)处理之后，最大应力为181MPa，小于材料的最大许用应力[3]，最大许用应力发生在平台外侧承受车轮垂直压力的地面支撑轮与平台接触处。工况2应力云图如图5所示。

图5 工况2应力云图

3.3 工况3的受力分析

工况3为停车平台泊好车，平台通过低速电机由螺旋传动机构送回固定槽轨之后的工作状态，此工况为侧向平移停车装置的工作工况，是车辆回小区之后，较长时间停放状态。与工况2相比，只施加了四个固定基座的固定约束(Fix Support)，地面支撑轮的压紧约束(Compression only support)无需施加。最后通过计算得出应力云图，最大强度应力为52MPa。工况3的侧向平移停车装置的网格图、载荷及约束施加图、应力云图等如图6、图7、图8所示。

4 结语

侧向平移停车装置初始设计方案采用的是全人工手动方式，由驾驶员下车摇动手柄，再由螺旋传动机构带动平台平移进出，经试制的1:2侧向停车装置模型试验之后，发现泊车过程时间过长，且女性长时间摇动手柄，较为困难，长期使用，超出车主对停车时间的心理承受能力。使用低速电机带动平台进出比手摇柄更加便捷，但仍存在启动电源开关时的上下车问题。在后续的改进方案中，可以在驱动电机处增加控制模块，由手机控制电机的启停，以达到取车或停车过程中，驾驶员不用多次上下车，从而实现较为自动化的停车。经过测算，使用低速电机作为动力源的单个侧向平移停车装置，材料、制作及人工成本可控制在3000元以内，适合在类似小区推广。

图6 工况3网格图

图8 工况3应力云图