无避让二层车库开发设计

樊承志 秦义校

0 引言
经济社会的快速发展使私家车的数量逐年增加，一方面改善了人民的出行条件，另一方面随之而产生的停车问题越来越成为社会关注的焦点 [1]。由于立体停车库具有占地面积少、可自动化操作、建设成本低等优点［2］，成为缓解我国停车问题的有效途径。立体车库是由机构和结构搭建而成，配备电气系统后可实现存取车辆的自动控制[3]。然而机械停车库在我国仅有二三十年的发展历程[4]，车库技术领域还有待进一步研究，产品的结构、可靠性、安全性、耐久性还有待提升［5］，已建成使用的大型立体停车库分为多层升降横移类、垂直升降类、水平循环类、垂直循环类等［6］，且大多产品瞄准的是高端市场，例如大型医院、商场、大型企业等，而社区、街道等场所停车拥挤问题却鲜有相适应的产品。本文利用SolidWorks 三维建模软件和Ansys 有限元分析软件，快速开发出一款适应社区、街道等场所的无避让二层车库。在结构设计方面，有限元方法的结构工程强度分析已经成为机械产品现代设计的主流。车库升降机构的传
动方式可以采用液压缸、螺杆、齿轮齿条、挠性件及其组合式等[7]。目前使用的双层立体停车多为旋转式升降横移无避让立体停车库［8，9］。综合已有车库的优势，根据相关国家标准[10,11] 设计。本研究采用成本较低的挠性件连接四连杆的升降方式，开发出一款可以方便用户
使用的无避让立体车库，其具有安装空间要求小、对场地环境要求低、上下两层存车互不影响等优点。

1 无避让二层车库开发设计
1.1 车库整体与停车场摆放
大型立体车库以及部分无避让立体车库大多采用分别驱动升降机构和平移机构的方式，这种方式因为增加了驱动机构而产生多余的能源消耗，并且升降运动和平移运动不能很好地连贯起来。新设计的无避让二层车库使用四连杆原理，把升降和平移运动结合在一起，采用一套驱动装置，这种形式即可以降低能源消耗，又可以提高存取车的效率。

新开发的无避让二层车库如图1 所示，采用升降运动和平移运动复合的四连杆机构运动原理以及牵引绳驱动方式，这种驱动方式相比其他形式可以大大降低生产制造成本，有利于推广；载车板的设计综合考虑现有的车型尺寸，同时限制大吨位的车型，此方案车库整体结构更加合理。此设备宜采用多套设备并列交叉排放的方式，适用于两条道路的中间或居民楼中间等类似场地，设备排列紧凑，空间位置占用少，见图2。

图1 车库整体结构

图2 车库摆放

1.2 车库工作原理
如图3 所示，所设计的无避让二层车库分为载车板、俯仰杆、框架结构三部分，起升机构为电动葫芦，框架结构可以固定在地面上也可以采用加配重的方式来保证车库设备的整体稳定性。电动葫芦上的牵引绳连接到支撑杆上，通过电动葫芦的正转来提升载车板，通过电动葫芦的反转及重力的作用实现载车板的下降，完成存车、取车流程，此种方式通过一个机构就可实现载车板平移和升降过程。

图3 车库工作过程

1.3 部件设计
1） 载车板
如图4 所示，载车板的设计综合考虑了车型尺寸和结构受力情况，在满足使用要求的前提下进一步优化结构尺寸。由于载车板是车库的主要受力构件，通过增加结构改善受力情况来协调载车板的整体尺寸，既节省费用又能满足使用要求。车库在载车板的两边增加栏杆，以大大提高载车板的刚度，不会造成材料浪费，同时栏杆可以对存放的汽车起到保护作用。

图4 载车板模型

2）框架构造
如图5 所示，框架结构综合考虑了车库存取车过程和车库重力的作业需求，在受力较严重的地方添加斜拉杆。为了提高整体稳定性同时不影响车库下层停车，框架后上位置设有横梁，可增强结构横向刚度。

图5 框架模型

3）俯仰杆
俯仰杆是车库的主要部件，在车库工作过程中，俯仰杆起着重要的作用。为减小支撑杆与框架和载车板连接处的摩擦力，在连接处安装滑动轴承。

4）安全装置
起升机构的设计要参照起重机的设计规范，当起升机构把汽车举起后，在框架与支撑杆之间设置锁卡结构，防止在牵引绳松弛的的状态下汽车坠落，但当驱动机构带动载车板下降时，锁卡结构会在机械力的作用下自动解锁。

2 车库结构建模分析
SolidWorks 具有强大的三维建模和装配体的功能，并且可以通过软件验证车库零件的尺寸是否符合装配要求，缩短了产品的设计周期，避免了生产零件的浪费，可建立整体车库的主要零部件三维模型，通过SolidWorks 的装配体功能定义零件的相对位置组装成无避让立体车库三维模型。

Ansys 有限元分析软件具有强大的分析功能，可以进行复杂模型的强度分析，同时能够得到更加准确的结果，使设计的产品更能承受实际的检验。为了分析停车设备的俯仰杆在升降过程中不同俯仰角度的受力情况，同时为了提高分析效率，在Ansys 有限元分析软件中建立相应的局部坐标系，通过在局部坐标系上建立模型，即可实现通过改变局部坐标系的角度，改变无避让二层车库不同俯仰角度的姿态。

有限元分析时为了让模型更接近真实的约束情况，俯仰杆与载车板和车架的连接均采用销轴连接的方式，在有限元分析软件中实现销轴的连接，并采用耦合自由度的方式，完成模型真实情况的边界条件约束和加载，进行有限元静力学分析。

根据车库的工作原理和受力状况，选取车库的危险工况进行受力分析，由车库的工作原理得出车库在存车起升时牵引绳的拉力最大，框架受力最复杂，可将此工况定为危险工况。当汽车停好后为了保证存车的安全性，对此状态进行受力分析。
静力学分析结构节点位移与载荷之间的方程为

式中：K 是整体刚度矩阵，u 是节点位移向量，F是载荷向量。

对上式进行形式变化得

式： Fap是外载荷向量，Fra是支反力向量。对结构位移u 施加足够的边界约束条件，就可以由
式（2）求出唯一解。结构有限元的瞬态动力学方程为

式中：M 为结构质量矩阵，C 为阻尼矩阵，K 为刚度矩阵，u 为节点自由度， u 为节点自由度相对时间的变化率， u 为节点速度相对时间的变化率，Ft 为车库结构所承受的外载荷列向量。

根据不同工况下起主要作用的影响因素不同，如强度决定杆件性能时，则忽略稳定性的影响，依据不同的工况分别进行验算，不断修改车库零件的尺寸，最终实现既满足性能要求，又满足成本最优的设计方案。

在汽车停稳后进行静力学分析，分析结果如图6 所示，最大应力为63.8 MPa。

动力学的加载步骤如表1 所示。不同时间不同载荷下最大应力变化见表2。

有限元动力学分析应力分布见图7，最大应力图7a对应时间步为1 s，图7b 对应2 s，图7c 对应3 s。由此可知在汽车逐渐提升的过程中，结构所产生的应力在逐渐减小。

图6 车库完成提升后的强度分析

图7 车库提升汽车时的强度分析

通过Ansys 有限元软件的分析，不断更新车库设备的型材尺寸，在保证安全的情况下保证型材的最轻化，使设计具有很高的实用价值。

3 结语
本研究设计了一款适应小场地使用的无避让二层车库，其升降方式运用四连杆的原理，优化了车库存取车过程的升降平移运动，对其结构进行了静力学分析和动力学仿真设计，多工况设计保证了使用安全性，提高了设计精度。

双层无避让立体车库的设计综合考虑了现有二层停车设备存取车相互影响的缺陷，所采用的升降方式符合节能减排的政策。停车库具有结构简单、成本较低的优点，能满足小场地停车的需求。