旋转升降式双层立体车库结构设计与有限元分析

黄莲花 李光明 林土淦

摘要：文章针对传统立体停车库存在成本高、占地面积大、存取车过程不方便等问题，设计了一种旋转升降式结构的双层立体车库，分析了立体停车库的主体结构及旋转升降式存取车的运行原理，并采用ANSYS workbench软件对立体车库主体框架进行有限元分析。结果表明：车库整体结构的变形最大位移为1.132 mm，在正常的停车荷载工况下，立体车库能够安全稳定运行，说明了旋转升降式存取车原理的可行性。该双层立体车库实现了存取车过程上下两层车位互不干扰，可靠性高、实用性强、方便快捷、具有较大的推广应用价值。

关键词：旋转升降;双层立体车库;ANSYS Workbench;有限元分析

0 引言

随着国民经济水平的提高，人们对汽车的需求也越来越多，汽车的保有量也随之剧增，但由于停车位有限，远远无法满足飞速增长的汽车市场保有量的停车需求。大中城市私人拥有汽车数量的迅猛递增，引起的停车困难成为困扰城市生活的重大难题，立体停车装置对解决城市的静态交通所起的作用越来越受到行业内外的关注。目前国内立体停车装置主要以升降横移式为主，还有垂直升降式和平面移动式。在技术上，从机械传动式向液压传动式、机械液压传动式、电传动式发展;在控制方式上，由手动控制发展到电气控制[1]、互联网控制。大型立体停车装置的研制开发能很好地解决停车难的问题，但由于成本高、占地面积大，有些小型立体停车装置由于存取车不方便、取车等待时间太长等也得不到业主的认可，导致立体车装置的推广受到一定的限制。因此，研制一种基于“绿色、高效、共享”理念的双层立体车库，成本低，提高空间利用率，对解决停车难问题具有重大意义。本课题研究的旋转升降式双层立体停车库属于一款智能化而又独立的高端产品，其结构与工作原理简单，存取车方便、快捷、安全可靠，很好地解决了路边、小区、大型停车场、住宅私人车位扩展空间等特殊环境停车难的问题。特别是现在新能源汽车成为家庭拥有第二部车的首选，但很多家庭只购买一个车位，第二部車的停放困扰着拥有两辆车的家庭。设计研制的便携式双层立体停车装置特别适用于在自家原有的车位上再扩充一个车位，其或将成为解决停车难的有效手段。

1 车库的整体结构设计

双层立体停车库主要由底部支撑架、水平移动丝杠机构、升降丝杠机构、旋转机构、上层停车托盘、下层停车托盘、控制电机、控制装置等部件组成，如图1所示。上层停车装置共有3个自由度，分别是左右移动、上下升降、90°旋转，三个自由度的运动各由一个电机控制。水平方向移动由控制电机1、螺旋丝杆与滑块组成，电机轴与丝杆通过联轴器连接，实现升降滚珠丝杠副水平移动和控制上层停车托盘进出车位。停车装置的旋转机构，由两块圆形钢板与圆形轴承组成并且固定在一起，将升降滚珠丝杠副底端固定在圆形钢板顶部，圆形钢板的底部固定控制旋转电机，旋转机构的电机轴用特制的钢板条与圆形钢板固定在一起，电机工作时带动升降滚珠丝杠副上下移动，使上层停车托盘实现90°旋转，把上层托盘停放在停车场过道上，方便汽车开出上层停车托盘。

车主在存取车辆时，控制系统会根据车主需要来运行上层停车托盘，如图2所示。当车主取车时，通过手机APP启动车位“取车”按钮，控制系统会控制水平方向电机，使上层停车托盘退出车位，上层停车托盘移动到指定位置时，位置传感器触发，水平方向电机停止向前。这时，旋转机构中的控制电机转动90°将上层停车托盘转到停车场过道，启动升降电机，使上层停车托盘下降，下降到地面时，位置传感器触发即停止工作，车主上车把车开走，用手机APP启动“取车完成”按钮，上层停车托盘自动复位，即为“完成取车过程”。当车主存车时，启动车位“停车”按钮，上层停车托盘自动降到停车场过道，车主把车开上停车托盘，车主下车后，用手机APP启动“停车完成”按钮，升降控制电机通过升降滚珠丝杠副将托盘向上升起，上升到位后，位置传感器触发，停车上升。再由旋转机构将托盘向停车位旋转90°，将车停放到指定位置，即完成“存车过程”。双层停车装置上层停车托盘四周安装有7组位置检测传感器，上层停车托盘在存取车辆的过程中，如传感器检测到有障碍物阻拦了托盘运行，传感器回馈信息到控制系统中，控制系统将启动安全回路系统断开电路，车库装置停止运行。当障碍物消失时，安全回路系统将恢复停车托盘的工作状态，确保停车装置工作的安全与可靠。

2 上层停车托盘运动方案

立体车库上层停车托盘在存取车过程中，托盘的升降主要由滚珠丝杠螺母副和蜗轮蜗杆控制，托盘回转机构由蜗轮蜗杆机构控制。

上层停车托盘的运动有进出车位水平移动、托盘提升至上层位置的垂直升降运动。这两个方向的运动主要由滚珠丝杠副控制。滚珠丝杠副可以将旋转运动转化为直线运动的装置[2]。丝杠与螺母之间有弧形螺旋槽。当它们套在一起时，形成一个螺旋形的滚道，滚道里装满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，滚珠沿着滚道流动，从而使其发生轴向移动。滚动传动能有效降低摩擦阻力，因此，滚珠丝杠副具有传动效率高、运动平稳、使用寿命长、精度高、可逆性好等特点[3]。滚珠丝杠副是一种高精密传动的部件，把它应用于本双层立体停车库中，实现了上层停车库高精度的位置控制。但是，滚珠丝杠本身无法锁定，电动机与滚珠丝杠之间的联轴器需装有抱闸装置。

上托盘回转机构由蜗轮蜗杆机构控制，主要由直流控制电机、箱体、蜗轮、轴承和轴组成，用法兰或转矩臂与两块转动圆形钢板安装。为了提高工作效率，蜗轮的材料一般采用有色金属，蜗杆采用硬钢材料。蜗轮蜗杆马达是一种非常实用的减速器，体积小，重量轻。它可以很好地组合所有的附件和装置，并且可以直接安装在设备侧面的输入轴上，无须传动部件，节省了大量的安装空间[4]，可降低整体成本。因为它可以作为一个整体直接安装，避免了与变速器等其他传动部分的接触。由于电机、变速箱等机械设备可以组合在一起，安装调试非常方便。

3 车库主体结构有限元分析

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）采用数学逼近的方法来模拟真实的物理系统（几何和载荷条件），即使用简单而有相互作用的元素（即单元），可以使用有限个未知量来逼近无限个未知量的真实系统。有限元分析求解的思路是将无限个自由度的连续求解区域离散为有限个自由度的离散体（单元），并以一定的方式（节点）相互连接，即将连续体划分为数目有限的离散单元，单元之间仅在数目有限的指定点处联结，用离散单元的集合体代替原来的连续体[5]。在有限元法中，将连续体划分为多个连续单元，每个单元若干节点的位移作为未知。即{δ}e=[ui，vi，wi，…]T，单元体内任一点的位移为{f}=[u，v，w]T。

3.2 主体框架变形与应力分析

双层车库主体框架选用Q345碳素合金钢，Q345的弹性模量E=206 MPa，泊松比μ=0.3，密度是7 850 kg/m3，其综合性能好，低温性能好，冷冲压性能、焊接性能和可切削性能均较好[12]。主体框架设计制作后，为检验车库的强度和刚度，利用ANSYS workbench对其进行有限元分析。通过有限元分析完成之后得到模型的等效应力（Equivalent Stress）云图和总的变形量（Total Deformation）云图，如图5所示。通过变形量云图可以看出车库结构的变形结果：结构的最大位移为1.132 mm，發生在立体车库结构的上层停车托盘边缘位置，上层停车托盘倾斜很小，与按照1∶5比例研制实际立体车库模型变形情况相符，符合立体车库设计标准[11]。在车库结构的其他位置，结构变形量很小，整体结构的最大位移较小，并不会影响车库的正常运行，因此车库在综合荷载工况下，能够安全稳定运行。

通过车库模型的等效应力（Equivalent Stress）云图如图6所示，结构最大Mises应力为162.25 MPa。最大应力数值低于材料的屈服强度345.00 MPa，结构安全系数较大。在车库结构的其他位置，大部分区域的Mises应力都比较小，说明在承受综合荷载的工况下，结构能够正常运行，不会发生破坏。支撑柱变形量不大，上层托盘支撑架稍有变形，但变形量小，不影响车位的旋转。故上层托盘支撑架可以承受车辆对其的静应力荷载，整体车库结构较稳定，在满足基本的停取车功能下，自身的强度也有保证。

利用ANSYS分析车库上层停车托盘的静力变形和应力集中的结果为：对车库上层停车托盘底部支撑路径等效应力最大Mises应力为18.122 kPa，发生在倒角以下的位置，如图7（a）所示。车库上层停车托盘底圈环形路径等效应力最大Mises应力为83.664 MPa，发生在路径中间接触位置，如图7（b）所示。

3.3 主体框架模态分析

为确定立体车库的固有振动特性，避免在特定频率下产生立体车库的共振，对其进行模态分析。车库结构对于整个运转体系起到承上启下的作用，同时，该结构的自然振动频率不能与驱动电机激励频率相互接近，避免发生共振。为了研究车库结构的振动频率特性，这里对车库结构单独进行了模态分析，模态分析阶数为前6阶。由于车库结构模型较复杂，不可能求出全部的固有频率和主振型，因此，只求出了车库整体钢结构满载情况下的前6阶固有频率和主振型，计算所得车库结构的前6阶固有频率如表1所示。

模态分析结果表明：一阶车库整体振动变形较小，整个车库钢结构最大变形发生在上层托盘左前横梁与纵梁的连接处，上层停车托盘相较于其他部位变形较大;二阶车库整体振动变形与一阶相比，变化不大;三阶车库结构变形开始出现在上层停车托盘的右前横梁与纵梁的连接处，整个车库钢结构最大变形发生在上层停车托盘的右边顶角处;四阶车库整体结构变形不大，最大变形发生在上层托盘左后横梁与纵梁的连接处;五阶车库整体结构发生变形量较大，最大变形发生在上层托盘的左前横梁与纵梁，变形量最大;六阶与五阶变形位置不变，但具有减小的趋势。在这些固有频率下，立体车库发生振动容易对车库钢架结构造成一定的坏破，严重时会造成车库钢架结构发生较大变形而影响车库的工作安全性。因此，在实际应用中，应该避免车库本身在使用时对钢架结构产生有害的振动频率，在操作时要避免引发车库钢架结构发生共振的固有频率。分析可知，立体车库结构设计较合理，满足立体车库正常的存取车需求[13]。

4 结语

本文设计的双层停车库整体结构简单，运用有限元分析软件ANSYS workbench完成了对车库结构的主体框架变形与应力分析及实际工况下的车库钢架结构强度、刚度分析，验证了车库整体结构的可靠性。同时，对车库整体钢结构运行中前6阶固有频率进行了结构振动模态分析，为在实际工程中提出避免车库钢架结构系统因共振影响稳定性而采用相应措施提供了依据，也为工程实践提供了有价值的参考。本双层立体停车库占地面积小、存取车过程中上下层停车位互不干扰、方便灵活、适用面广，可用于路边、住宅小区、地下停车场等场所，解决了目前汽车保有量越来越多而导致的停车难问题，具有较高的市场推广价值。

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收稿日期：2020-06-02