一种剪叉式运动骨架设计

韩文武， 樊愿华， 倪禹隆， 杨振， 王跃飞

（合肥工业大学机械工程学院，合肥 230009）

一种剪叉式运动骨架设计

韩文武， 樊愿华， 倪禹隆， 杨振， 王跃飞

（合肥工业大学机械工程学院，合肥 230009）

随着汽车保有量的不断增加，当前实体车库紧缺，为了满足日益增长的汽车对于车库使用的需求。从节约占地面积、防护汽车、提高便利性以及防盗等方面出发，文中介绍一种可用于折叠车位库结构系统的运动骨架，实现自动化控制折叠车位库。改善了结构稳定性，提高了传动效率，减少了汽车遭受沙尘雨雪及风吹日晒的侵袭，一定程度缓解车库紧张问题。

剪叉式结构；运动骨架；折叠车位库；设计

0 引 言

近年来汽车保有量增长迅速，导致普遍存在着车库紧张的问题，许多车辆露天停放，经过沙尘冰雪的袭击和日晒雨淋的侵袭，增加汽车的洗刷频率以及降低其使用寿命。

自动化折叠车位库，采用露天车位与汽车帐篷相结合的方法，弥补了露天停车和汽车篷布的缺点，具有可移动性和折叠性，其主体采用可折叠运动骨架结构，成本低，泊车方便。展开时完全将汽车遮盖住，对汽车起到很好的防护作用，收缩后可放置于箱体中，节约空间，一定程度上又能缓解车库紧张问题。本文提出一种适用于折叠车位库的运动骨架系统设计，可实现其自动化伸缩，如图1所示。

1 技术难点及解决方案

本文主要介绍一种应用于自动化折叠车位库的剪叉式运动骨架系统，以下从减小摩擦损耗，改善运行平稳性、协调性以及安全性等方面出发提出改进措施。

图1 剪叉式运动骨架应用示意图

1.1 降低工作中摩擦损耗的措施

车位库要实现自动收缩和伸展，必须通过电动机带动传动机构控制相关骨架实现伸缩或折叠。在骨架实现收展过程中，总会产生零部件之间相互接触运动的情况，这一过程会伴随着摩擦力的产生，促使整个系统的能量损耗，收放效率大大降低，并且不利于整个车位库的收缩和伸展运动。

为了减小收展过程中的摩擦力，减少能耗，改零部件之间的面接触为点/线接触，例如：两剪叉臂活动铰接端与立杆之间接触运动，可以通过在活动铰接端安装皮轮，从而实现点/线接触运动。伸缩骨架的传动机构可以使用滚珠丝杠副替代螺杆螺母副，伸缩骨架底部采用轮轨式移动，既能减小摩擦也能提高导向精度与重复定位精度。此外，也可采用摩擦因数较低的材料，如石墨材料等。

1.2 改善运行平稳性及协调性的措施

折叠车位库收展可采用分段式运动，运行速率较快，占用空间较小，易于设计成流线型，提高其稳定性。但实现分段运动过程应保证其协调性，传动机构应具有较高的承载能力和强度，以达到传动的连续和平稳要求，而且系统对传动机构有一定的冲击性，因而传动过程中应有必要的缓冲措施。例如，折叠结构可设计为绳索传动，伸缩骨架可设计为螺杆螺母传动，并安装锁定与缓冲装置以保证传动的连续和平稳性。

1.3 提高车位库安全性的措施

车位库频繁收展，要求膜布随运动骨架有一定的展开规律，避免由于多次运动导致膜布的任意折痕降低膜布的使用寿命。为了保证膜布的展开具有规律性，要求带动其展开的骨架数量有一定的上限，并且骨架运动速度有一定的稳定性，避免速度不均产生的拉扯膜布的现象。也可将膜布设计如百叶窗式的叶片结构，另外，运动骨架和膜布本身也要求有很好的韧性与强度，有一定的抗冲击性，提高车位库安全性。

2 剪叉式运动骨架系统的方案设计

剪叉式运动骨架系统设计包括驱动剪叉式骨架的左右牙双向滚珠丝杠传动机构，剪叉式伸缩骨架结构以及引导其收展的轮轨。该运动骨架系统配合使用可应用于自动化折叠车位库，提高其收展效率，节约空间，增加平稳性。

2.1 伸缩骨架系统的结构设计

伸缩骨架系统采用剪叉式运动骨架结构，包括两交叉设置的交叉臂与立杆总成，如图2所示。立杆总成由主立杆，若干移动立杆，滚动轴承及弹性限位块构成，立杆一侧面均设置导程槽，滚动轴承可滚动置于槽内，沿竖直方向移动，并且设有限位块，剪叉式伸缩结构应用时位于车位库两侧，导程槽开口相对。两交叉臂中间部位通过转动轴铰接，其中一交叉臂的一端与滚动轴承同轴线可转动连接，另一端与立杆中部铰接。

主立杆固接于车位库支架上，其槽内滚动轴承实现上下移动，驱动做剪叉式运动实现若干副立杆收缩与舒展。副立杆底部装有滑轮在主立杆和交叉臂驱动下做水平运动，其槽内滚动轴承上下移动，实现沿弧向的合成运动。在实际应用过程中可将其设计成双剪叉式驱动结构，提高其结构强度和稳定性。

图2 剪叉式伸缩结构爆炸图

2.2 运动骨架系统的轮轨设计

剪叉式运动骨架系统中各个移动立杆底部安装滑轮，并与地面上导轨滑动配合，其结构如图3所示。轮轨采用如图4所示截面形状，两滑轮卡在轮轨槽底面凸起两侧，骨架系统运行时约束了滑轮水平方向移动，防止其与轮轨槽两端面碰撞，有效减小运动的冲击。轮轨设计成凹型，在收展运行状态下可以有效避免滑轮跳出轨道，限制了其上下跳动。收拢时两轮接触部位装有弹性挡圈，可有效减小冲击，提高了运行平稳性、精度及安全性。

图3 轮轨配合示意图

图4 轮轨截面图

2.3 剪叉式伸缩结构的传动机构设计

左右牙双向滚珠丝杠传动机构是剪叉式伸缩结构系统所采用的主要传动方式，电动机的输出转矩经减速装置驱动其传动机构实现整体骨架运动。

双向滚珠丝杠传动机构由一左右牙双向滚珠丝杠、两配合的滚珠丝杠螺母、一对用于收展的传动支架以及沿丝杠方向的直线导轨构成。电动机输出轴经减速装置与双向滚珠丝杠传动连接，滚珠丝杠两段螺纹段位于两边且旋向相反，两配合滚珠螺母分别与丝杠的两段螺纹相啮合，其中一对传动支架的一端与两滚珠螺母刚性连接。滚珠螺母的旋转方向被直线导轨所约束，实现其直线运动。

剪叉式伸缩结构主立杆内滚动轴承与传动支架的另一端刚性固接，所需两副双段滚珠丝杠传动机构实现其运动，双向滚珠丝杠转动时，在导轨导向下限制其沿螺旋方向转动，只能带动两滚珠螺母相对或相向移动。

2.4 剪叉式运动骨架系统的工作方式

运动骨架系统展开方式：电动机驱动左右牙双向滚珠丝杠转动，其配合的滚珠丝杠螺母沿相反方向移动，相连接的传动支架推动主立杆内滚动轴承沿预定直线方向在导程槽中移动一段距离，其他副立杆经交叉臂驱动也依次沿着预定水平直线轨迹方向移动至运动骨架系统完全展开，置于运动骨架上的膜布也完全舒展。

运动骨架系统收起方式：电动机反向驱动左右牙双向滚珠丝杠，双向滚珠丝杠反向转动，配合的滚珠丝杠螺母相向移动，在传动支架的推动和交叉臂的剪叉式作用下副移动立杆收缩，完全收缩后运动骨架系统可置于箱体中。

3 主要机械结构的设计

考虑到剪叉式运动骨架系统应用于折叠车位库，其实物体积过大，制作加工不方便，不利于实验验证，以下机械结构均为1:5进行缩放后的设计参数。

3.1 左右牙双向滚珠丝杠机构的设计

滚珠丝杠副的轴向变形易引起丝杠导程发生变化，从而影响定位精度和运动的平稳性，轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形，丝杠与螺母之间滚道的接触变形等。

1）设计参数。左右牙双向滚珠丝杠螺母副可选择1002型，丝杠最大工作载荷Fm，丝杠两端支承间的距离a，丝杠材料的弹性模量E，丝杠底径d，惯性矩I。则丝杠拉伸或压缩变形量：δ1=Fma/（ES）；查阅产品资料知滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2；于是总变形量δ=δ1+δ2应满足设计精度。

2）稳定性校核。滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，轴向负载过大，则可能产生失稳现象。丝杠失稳临界载荷:

考虑左右牙双向滚珠丝杠副传动机构两配合的滚珠螺母相对或相反移动，承受的轴向力沿轴向方向，且方向相反，一定程度上抵消了一部分轴向力影响，传动过程平稳，噪声小，传动效率高。

3.2 剪叉式运动骨架结构的设计

滚珠丝杠螺母通过传动支架与A点刚性连接，A点所在的连接杆与竖直方向夹角θ呈20°，如图5所示。取移动副立杆1上的销钉B为动点（如图6所示），动系与移动副立杆固结，则相对运动Vr是沿导程槽方向的运动，绝对运动Va是绕C点的转动，牵连运动Ve是水平运动。则：Vr·cos（90°-θ）=Ve·cosθ，即Vr=Ve·cotθ。

图5 剪叉式结构局部图

图6 B点速度合成图

根据实际应用场合的需要，通过上述运动的简单分析配合选用的电动机以及传动机构可以设计相应立杆的长度，计算出符合要求的速度。另外，也可以对工作过程中的骨架进行仿真结合运动学与动力学分析设计其结构，选择相应材料，增强其稳定性。

4 结论

本文提出了一种剪叉式运动骨架系统设计方案，介绍其适用于自动化折叠车位库，可以满足折叠车位库市场需求，一定程度上解决目前已有折叠车位库结构的不足。设计中通过驱动左右牙双向滚珠丝杠实现剪叉式骨架结构伸缩，减小了车位库的体积和实体车库的占地面积，改善了运动骨架结构，提高了平稳性，加快了收展的运行速率。另外，剪叉式运动骨架系统还可适用于自卸车、吊斗车以及货车等篷布收展结构骨架中，简单方便，应用广泛，实用前景广阔。

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Design of a Scissor-type Motion Skeleton

HAN Wenwu,FAN Yuanhua,NI Yulong,YANG Zhen,WANG Yuefei
（School ofMechanical Engineering,Hefei UniversityofTechnology,Hefei 230009,China）

With the increase of car ownership,the current garage is scarce.In order to meet the growing demand for garage use,this paper introduces a kind of sports skeleton that can be used for folding garage structure system,and realizes the automatic control of the folding garage from the aspects of savings area,protecting cars,improving convenience and security,etc.The new sports skeleton improves the structural stability and enhances the transmission efficiency.It can protect the car from dust,rain,wind and sun attack and ease the garage tension to some extent.

scissor structure,motion skeleton,folding garage,design

TH 122

A

1002－2333（2018）01－0099－03

合肥工业大学2015年国家级大学生创新创业训练计划项目资助（201510359009）

（编辑黄 荻）

韩文武（1994—），男，在读本科生，机械设计制造及其自动化专业。

2017-03-30