基于Solidworks的汽车搬运器结构设计及有限元分析

于宏博 孙博宇 杨文禹 孙帅 王文凯

摘  要：文章介绍了一种汽车搬运器，该装置主要适用于停车区，主要用于解决当前日常生活中停车难、挪车难的问题。该汽车搬运器利用连接机构、支撑机构和夹持机构三部分核心结构，可实现对不同轴距的汽车进行搬运。文章基于Solidworks完成汽车搬运器结构装配设计及simulation插件的有限元分析，对该汽车搬运器结构分别进行应力应变有限元分析。验证了文章中汽车搬运器的强度、刚度和稳定性。

关键词：汽车搬运器；夹持机构；机械结构；有限元分析

中图分类号：TP391.9    文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）07-0151-03

Abstract： This paper introduces a car carrier， which is mainly suitable for parking area， mainly used to solve the current problems of difficulties in parking and moving cars in daily life. The car carrier uses the three core structures of the connection mechanism， the support mechanism and the clamping mechanism， which can realize to carry the cars with different wheelbases. Based on Solidworks， this paper completes the car carrier structure assembly design and the finite element analysis of simulation pluggable unit， and conducts the stress and strain finite element analysis of the car carrier structure respectively. The strength， stiffness and stability of the car carrier in this paper are verified.

Keywords： car carrier; clamping mechanism; mechanical structure; finite element analysis

0  引  言

伴随着人民生活水平的提高和经济的快速发展，我国家用汽车保有量呈现出明显增长的趋势，加上可支配空间有限，导致停车位数量有限，人均占有空间不断缩小，进而不可避免地产生了停车难、挪车难的问题[1]。

由于人均占有空间的不断缩小、部分停车区域分配不充分不合理，导致车主停车、挪车时可利用空间较小，在车辆移动时容易与周围车辆产生碰撞摩擦，不能充分地保证其安全性，同时容易造成车主的财产损失。

1  研究概述

1.1  研究背景

汽车搬运器是一种移动汽车的工具，当小区或道路上存在乱停放的车辆的时候，通过汽车搬运器将汽车的制动轮托起，从而通过移动汽车搬运器与汽车的从动轮配合，即可实现对汽车的移动[2]，起到清理障碍的效果。

现有的汽车搬运器两侧的车轮夹持装置的长度是固定，而汽车两轮之间的间距会因为车辆的不同而不同，无法根据汽车的轴距进行改变，如A型车和B型车之间的间距就明显不同，小型轿车和SUV之间的间距也明显不同，所以使用现有的固定长度的汽车搬运器在针对不同宽度汽车的时候，可能会发生两侧支撑臂过长，车轮不在支撑臂中间而导致受力不均匀，或者两侧支撑臂不够长，而导致车轮无法被支撑臂夹持起来的问题。

1.2  国内外研究现状

目前，国内现有汽车搬运器的主要结构形式有台板式、梳齿式和夹持式。台板式搬运器在搬运车辆时需要配置一个载车板，这增加了挪车设备的成本也降低了挪车效率；梳齿式由于梳齿外伸的原因，会导致搬运器总体外形尺寸较大；梳齿式搬运器的叉梳与载车板的叉梳交错布置，因此梳齿式搬运器搬运车辆时不需要将整个载车板进行存取，降低了能源消耗[3]。

由于立体车库最先在国外出现，这也使得汽车搬运器在欧美等发达国家起步较早。如今停车的技术已不再满足于单一的停车需求，而是趋于多样化、智能化，人工智能技术、传感器技术等一系列技术不断被融入其中[4]。

1.3  设计要点

针对上述技术不足，本文提供了一种汽车搬运器，如图1所示。该汽车搬运器能够改变连接板两侧安装的支撑件之间的距离以适配不同汽车轮胎之间的间距，达到了能够适配不同轴距汽车的效果[5]。

1.4  项目创新

通过设置连接板，并在连接板的两侧设置延伸出来的液压杆与连接槽的内壁进行连接，从而通过连接板内部的液压装置来控制液压杆的伸缩，从而改变连接板两侧安装的支撑件之间的距离以适配不同汽车轮胎之间的间距，达到了能够适配不同轴距汽车的效果[6]。

通过在夹持杆的侧面设置坡形面，且在夹持杆的相对面设置夹持辊，并使夹持辊的顶部改与夹持杆的顶部，在使用的时候，通过动力部输出动力并使用支撐件传动来改变两个夹持杆之间的间距对轮胎进行夹持，轮胎受到夹持辊挤压并逐渐提升智夹持杆的顶部，挤压的过程中，坡形面能够避免对轮胎和防滑纹进行伤害，达到了保护轮胎的效果。

2  装置结构

2.1  连接机构结构

所述连接机构包括：连接板、液压杆和防挡槽。连接板的两侧均安装有液压杆，连接板的两侧均开设有防挡槽；其特征在于：连接板的内部设置有空腔，空腔的内部安装有小型液压泵，液压泵与液压杆连接。

2.2  支撑机构结构

所述支撑机构包括：防护罩、连接槽、动力部、支撑件、移动滚轮、活动槽和传动齿轮，其示意图如图2所示。所述防护罩的内部设置有连接槽，所述连接槽的内部安装有动力部，所述防护罩的外侧固定连接有支撑件，所述支撑件的两端均活动连接有移动滚轮，所诉支撑件远离防护罩的一侧开设有活动槽，所述活动槽的内部安装有传动齿轮。

2.3  夹持机构结构

所述夹持机构包括：夹持杆、夹持辊、坡形面和连接端，夹持杆上活动连接有夹持辊，夹持杆的相对面的顶部设置有坡形面，夹持杆的尾部固定连接有连接端。连接槽的内部与连接板的外表面搭接，所述动力部的位置与防挡槽的位置相适配。液压杆的顶端延伸至连接槽的内部并与连接槽的内壁固定连接，所述液压杆位于动力部的两侧。传动齿轮为三个齿轮组成，动力依次传送，且中间的齿轮被动力部带动。

3  系统工作原理

3.1  连接机构

设置连接板，并在连接板的两侧设置延伸出来的液压杆与连接槽的内壁进行连接，从而通过连接板内部的液压装置来控制液压杆的伸缩，从而改变连接板两侧安装的支撑件之间的距离以适配不同汽车轮胎之间的间距，达到了能够适配不同轴距汽车的效果。

通过在夹持杆的侧面设置坡形面，且在夹持杆的相对面设置夹持辊，并使夹持辊的顶部改与夹持杆的顶部，在使用的时候，通过动力部输出动力并使用支撑件传动来改变两个夹持杆之间的间距对轮胎进行夹持，轮胎受到夹持辊挤压并逐渐提升智夹持杆的顶部，挤压的过程中，坡形面能够避免对轮胎和防滑纹进行伤害，达到了保护轮胎的效果。

根据上文已经介绍液压杆的顶端延伸至连接槽的内部并与连接槽的内壁固定连接，液压杆位于动力部的两侧。将液压杆延伸至连接槽的内部，从而通过液压杆的伸缩来调整两个支撑件之间的间距，而液压杆位于动力部的两侧，从而能够稳定的对支撑件传输动力。传动齿轮为三个齿轮组成，动力依次传送，且中间的齿轮被动力部带动，本实施例中动力部为与齿轮传动连接的电机。

设置三个齿轮进行传动，从而在对两个夹持杆进行动力传输的时候，能够使两个夹持杆相对运动，从而挤压轮胎并将车辆顶起。

夹持杆通过连接端活动连接在活动槽的内部，连接端的侧表面开设有齿槽，齿槽与传动齿轮两侧的齿轮啮合。在连接端的侧表面设置齿槽，从而能够与传动齿轮进行啮合，当传动齿轮被传动的时候，能够通过连接端带动夹持杆进行运动，其中连接端的转动轴心为与活动槽活动连接的点。

在使用时，通过设置连接板，并在连接板的两侧设置延伸出来的液压杆与连接槽的内壁进行连接，从而通过连接板内部的液压装置来控制液压杆的伸缩，从而改变连接板两侧安装的支撑件之间的距离以适配不同汽车轮胎之间的间距，达到了能够适配不同轴距汽车的效果。

3.2  支撑机构

在连接板的内部设置空腔，并在空腔的内部安装小型液压泵，从而通过小型液压泵来控制液压杆的伸缩，以改变连接板两侧支撑机构之间的间距，而防挡槽用于在连接板收纳至连接槽内部的时候避免动力部造成阻碍。

3.3  夹持机构

设置夹持杆并被连接端带动，从而使两个夹持杆能够相对运动对轮胎进行夹持，而夹持轮胎的时候，夹持辊优先与轮胎接触，从而将硬压力转换为转动压力，且设置坡形面用于改变夹持杆之间的硬边，从而对车胎进行保护。

4  有限元分析

利用Solidworks simulation对本文叙述的汽车搬运器进行有限元分析，首先对汽车搬运器进行受力分析，车辆轮胎收到车辆搬运器的夹持装置所给的对称的力F和力F′，以及自身的重力G，其三力共同左右使系统受力平衡，根据牛顿第三定律所述：相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上[7]，即可同理对车辆搬运器进行受力分析，汽车搬运器局部受力分析图如图3所示。

经查阅资料，假设汽车搬运器运载重量为2吨的车辆，即前轮汽车搬运器需要承受近10 000 N的力，夹持装置长度为45 cm，前轮汽车搬运器长度为75 cm，极限宽度为180 cm，整体结构为碳素钢[8]。计算结构所受应力以及发生的位移。应力应变分布云图如图4所示。

经计算得到结构所受最大应力值σmax为117.922，屈服力σs为220.594，故结构相对稳定。

故已知：σmax=117.922，所以σmax＜σs满足要求。最大形变量为1.555 mm，从而验证了理论受力模型及变形模型的可行性。

5  结  论

随着智能立体车库自动存取车辆技术的发展，汽车搬运器相关技术也得到快速升级与发展，本文基于机械设计、液压传动技术和齿轮传动等基本知识和原理，提出了一种传动机构结构简单、夹持稳定可靠、夹持高效的汽车搬运机器。完成了汽车搬运机器的装置结构设计和系统原理介绍。并通过Solidworks simulation对夹持机构理想条件下进行静态有限元分析，对所得到的应力和位移数据进行分析可以得出本文所提出的一种汽车搬运器具有很高的可行性和社会经济效益。

参考文献：

[1] 王亮，何坤，王新锋，等.悬臂式双回转智能立体车库创新设计研究 [J].中国设备工程，2020（8）：20-22.

[2] 吴博.抱轮式汽车搬运器的性能分析与设计优化及其应用研究 [D].杭州：浙江大学，2018.

[3] 张坡.立体车库汽车搬运器进化分析与创新设计研究 [D].济南：山东建筑大学，2021.

[4] 徐凯.面向立体车库的夹持式全转向汽车搬运器设计及仿真研究 [D].成都：西南交通大学，2019.

[5] 纪久祥，梁涛，高明，等.智能停车机器人夹持机构结构及液压驱动控制系统设计分析 [J].智能建筑与智慧城市，2022（9）：147-149.

[6] 胡琳，李雷，陈栋.基于專利分析立体车库汽车搬运器技术 [J].兵工自动化，2022，41（9）：80-82.

[7] GRIFFITHS L J. Introduction To Eleetrodynamies [M].Englewood Cliffs：Prentice-Hall，1981.

[8] 刘建德.用于汽车的户外自动搬运小车 [J].机械制造，2022，60（7）：31-34.

作者简介：于宏博（2003—），男，汉族，河北衡水人，本科在读，研究方向：交通工程。