杨 航，朱建华，黄 文，何建国，张云飞

（1.遵义师范学院工学院，贵州 遵义 563006；2.中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川 绵阳 621900）

随着经济社会的发展，车辆的使用频率与数量越来越多。目前城市中各类小区与商场对停车的需求越来越高[1-5]，人们想获得一种稳定可靠的停车系统与停车方式。在这种背景下，立体停车系统应运而生。目前主流的停车系统主要有立体式和综合式2大类[6-8]。立体式停车系统可以把车辆从较低的位置抬升到较高的位置，从而高效利用土地；而综合式大型车库主要用于商场等场合[9-10]，它可以实现对车辆的智能化管理、停放和取用。一般而言，大型综合停车系统都采用比较简单的结构[11-13]，引入更多的智能化操作，使车辆的停放更加智能和便捷。立体停车系统结构相对简单，因为经济成本原因，其结构要求设计可靠[14]。立体停车系统综合运用机械系统、电气系统、控制系统，使智能化便捷停车成为可能。但是由于立体停车系统复杂[15]，在安全性和可靠性方面存在一定的问题，所以需要进一步建立安全稳定的分析方法。目前停车系统的主要承重结构设计一般都是基于经验[16]，缺乏理论指导与分析，所以这类停车系统的安全系数方面存在较大隐患。

1 基于曲柄滑块的立体停车系统结构设计

为解决城市小区里人们停车难的问题，实地考察小区的空间利用率、利用方式。经过仔细研究后发现在停车位的上方还有一部分利用空间，无论是地下停车场还是露天停车场地都能利用这部分空间来停放车辆。设计的停车装置还需满足单一车辆即停即取互不影响，所以设计了一款满足此要求的停车机械装置，即私家车位扩充升级停车装置。小型私家车位扩充停车装置是基于偏置曲柄滑块机构来实现小型客车的升降，只是将滑块作为主动件，曲柄作为从动件，如图1所示。

图1 停车装置

设计时主要分析偏置曲柄滑块机构的行程、压力角、受力等因素，通过MATLAB来分析确定各机构杆件的尺寸大小、SolidWorks建模及装配。该机械装置设计结构简单，容易加工、安装、维修，通过链条传动带动滑块往返运动来实现曲柄的上下摇摆，具体如图2所示。设计的停车场结构简单、便于安装、体积小。

图2 该装置偏置曲柄滑块机构简图

该装置可利用曲柄滑块机构实现车辆提升，车辆由低平面向高平面提升的过程中仍可连续稳定运行。从机械结构与电气控制系统的角度分析，该设计可实现车辆的提升与下降，但是其结构强度与结构变形抵抗能力需要进一步进行确认和分析。

2 框架结构的设计与分析

经过反复对比验证后，用一般钢架结构搭建了一个类似正方体的结构，还安装了导轨及其滑块，安装简单，在梁的两端适当位置安装了轴承。经过查询和搜集大量资料，选择了H型钢。工字钢和H钢形状相似，如图3所示，但在应用方面它们之间还是有很大的区别。工字钢的外形特征决定了它的力学性能，虽然其截面承受垂直压力好，也耐拉，但是由于其截面太窄，抗扭转弱。

图3 工字钢和H型钢截面对比

H型钢的质量与工字钢相比，相同条件下质量较轻。工字钢多用于横梁，而H型钢却能用于结构的承重柱。为进一步确定该立体停车系统主体结构的安全性和可靠性，需要进一步对其主体框架结构进行设计和分析。将所设计的结构零件通过SolidWorks的有限元分析出各点处的受力情况，合理选择材料。框架机构受力分析如图4所示。

图4 框架机构受力分析

对承重结构内部进行应力分析和位移分析发现，工字型钢和H型钢在应对位移变形抵抗方面表现出很大的差异。因此在承重设计的时候，应该考虑使用H型钢。

3 基于SolidWorks的立体停车系统有限元分析

3.1 停车场装置的强度分析

将所设计的零件通过SolidWorks的有限元分析出各点处的受力情况并合理选择材料，通过有限元分析出承重柱的结构受力情况，将分析的结果和数据进行对比研究。通过查阅相关资料，了解到一般家用桥车的质量为1 200～1 300 kg，中高级轿车的质量为1 400～1 600 kg，一些SUV的质量在1 900 kg左右，通常取汽车与停车托盘的总质量m=2 300 kg来计算。所以，取小车和停车托盘的最大重力为22 540 N，单边支架所承受的重力为11 270 N，支架上的最大压力（该支架的载荷）为11 270 N。将设计的承重柱模型与实体承重柱载重按照1∶20的比例进行静力学分析，令其载重为560 N，材料选择合金钢，对承重柱进行静力学分析，利用材料力学知识分别对应力、应变、位移、安全系数进行分析。根据材料力学中的第四强度理论形状改变能密度理论，分析安全系数的原理，应力σ1、σ2、σ3、σs之间的关系用公式表示为：

将式（1）的σs除以安全因素就能够得到材料的许用拉应力[σ]，按第四强度理论建立的强度条件为：

式（2）中：σ1、σ2、σ3为构件危险点处的主应力。

经查阅资料得安全因数的取值范围为2.5～3。根据停车装置的设计要求，取安全因数为3。合金钢的材料力学性能参数如表1所示。

表1 合金钢的参数

由表1中的数据得到屈服强度σs=6.2 0 4 2 2×108N/m2，取安全因数n=3，就可得到许用应力为。

承重柱静力学分析结果——应力如表2、图5所示。

表2 承重柱静力学分析结果——应力

图5 承重柱装配体静应力分析的应力结果

承重柱静力学分析结果——位移如表3、图6所示。

表3 承重柱静力学分析结果——位移

图6 承重柱装配体静应力分析的位移结果

承重柱静力学分析结果——应变如表4、图7所示。

表4 承重柱静力学分析结果——应变

图7 承重柱装配体静应力分析的应变结果

承重柱静力学分析结果——安全系数如表5、图8所示。

表5 承重柱静力学分析结果——安全系数

图8 承重柱装配体静应力分析的安全系数

表2中的结果最大应力为3.315 56×106N/m2，小于许用应力（[σ]=2.068 1×108N/m2），得出安全因数最小为96.307 1，虽然满足强度和刚度要求，但考虑到经济性问题可把材料的厚度减少，既可以减轻质量又不浪费材料，使设计成本大大降低。强度和刚度依然满足设计要求，就可确定材料的最终厚度。根据以上仿真数据分析，分别对应力、应变、位移、安全系数进行分析，可以得出这种机械构件满足设计要求且设计合理。

3.2 停车场装置的有效转矩分析

对停车托盘的有效转矩进行分析验证，简化停车托盘与曲柄滑块连杆机构。规定顺时针方向为负，可得M中=﹣FLcosθ。

当曲柄滑块连杆机构与托盘平行时，重力F对曲柄的偏心力矩最大，所以对其进行静力学分析。前面已经分析过，取小车和停车托盘的最大重力为22 540 N，单边曲柄连杆所承受的重力为11 270 N，则曲柄连杆上的最大压力（该曲柄连杆的载荷）为11 270 N。将设计的曲柄连杆模型与实体曲柄连杆的载重按照1∶20的比例进行静力学分析，令其载重为560 N，材料选取合金钢，合金钢的参数如表1所示，分别对应力、应变、位移、安全系数进行分析。

通过表1中的数据得到屈服强度σs=6.204 22×108N/m2，取安全因数n=3，可得到许用应力为。

曲柄连杆静力学分析结果——应力如表6、图9所示。

图9 曲柄连杆机构静应力分析的应力结果

表6 曲柄连杆静力学分析结果——应力

曲柄连杆静力学分析结果——位移如表7、图10所示。

表7 曲柄连杆静力学分析结果——位移

图10 曲柄连杆静应力位移分析

曲柄连杆静力学分析结果——应变如表8、图11所示。

表8 曲柄连杆静力学分析结果——应变

图11 曲柄连杆静应力应变分析

曲柄连杆静力学分析结果——安全系数如表9、图12所示。

表9 曲柄连杆静力学分析结果——安全系数

图12 曲柄连杆静应力安全系数分析

表6中最大应力为5.187 02×107N/m2，小于许用应力（[σ]=2.068 1×108N/m2），且安全因数最小为5.906 107，强度和刚度满足设计要求就可确定材料的最终厚度。根据以上仿真数据分析，分别对应力、应变、位移、安全系数进行分析，可以得出这种机械构件满足设计且设计合理。

3.3 计算结果分析

通过SolidWorks的有限元对应力、应变、位移、安全系数等参数进行静力学分析。为满足模型的设计的合理性，将设计的机构模型尺寸大小与实体尺寸大小按照1∶20的比例建立模型。通过改变装置材料以及给定的相关参数，不断进行仿真试验，再对试验结果进行分析比较，对该停车装置材料的选择有了确定结果。通过静力学仿真结果得出，H型的合金钢比较合理，所以本文的停车装置的材料选用H型合金钢。通过SolidWorks进行建模和装配，结合实际受力情况，最后做出一个停车装置，该实体装置如图13所示。实体模型能正常工作，满足本文设计要求且设计合理。

图13 停车装置实体模型

4 总结

为解决小区停车难问题，本文设计了基于滑块结构的停车装置。通过Solidworks有限元分析，建立了主要承重结构的应力应变分析方法与分析结果，得出该停车装置在材料选型方面和结构承重能力设计方面的依据。通过制作1∶20的实体停车装置，验证了该停车装置有限元分析的有效性和合理性。