基于Solidworks的汽車搬運器結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析

于宏博 孫博宇 楊文禹 孫帥 王文凱

摘? 要：文章介紹了一種汽車搬運器，該裝置主要適用于停車區(qū)，主要用于解決當前日常生活中停車難、挪車難的問題。該汽車搬運器利用連接機構(gòu)、支撐機構(gòu)和夾持機構(gòu)三部分核心結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)對不同軸距的汽車進行搬運。文章基于Solidworks完成汽車搬運器結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計及simulation插件的有限元分析，對該汽車搬運器結(jié)構(gòu)分別進行應(yīng)力應(yīng)變有限元分析。驗證了文章中汽車搬運器的強度、剛度和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：汽車搬運器；夾持機構(gòu)；機械結(jié)構(gòu)；有限元分析

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：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

伴隨著人民生活水平的提高和經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國家用汽車保有量呈現(xiàn)出明顯增長的趨勢，加上可支配空間有限，導致停車位數(shù)量有限，人均占有空間不斷縮小，進而不可避免地產(chǎn)生了停車難、挪車難的問題[1]。

由于人均占有空間的不斷縮小、部分停車區(qū)域分配不充分不合理，導致車主停車、挪車時可利用空間較小，在車輛移動時容易與周圍車輛產(chǎn)生碰撞摩擦，不能充分地保證其安全性，同時容易造成車主的財產(chǎn)損失。

1? 研究概述

1.1? 研究背景

汽車搬運器是一種移動汽車的工具，當小區(qū)或道路上存在亂停放的車輛的時候，通過汽車搬運器將汽車的制動輪托起，從而通過移動汽車搬運器與汽車的從動輪配合，即可實現(xiàn)對汽車的移動[2]，起到清理障礙的效果。

現(xiàn)有的汽車搬運器兩側(cè)的車輪夾持裝置的長度是固定，而汽車兩輪之間的間距會因為車輛的不同而不同，無法根據(jù)汽車的軸距進行改變，如A型車和B型車之間的間距就明顯不同，小型轎車和SUV之間的間距也明顯不同，所以使用現(xiàn)有的固定長度的汽車搬運器在針對不同寬度汽車的時候，可能會發(fā)生兩側(cè)支撐臂過長，車輪不在支撐臂中間而導致受力不均勻，或者兩側(cè)支撐臂不夠長，而導致車輪無法被支撐臂夾持起來的問題。

1.2? 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)現(xiàn)有汽車搬運器的主要結(jié)構(gòu)形式有臺板式、梳齒式和夾持式。臺板式搬運器在搬運車輛時需要配置一個載車板，這增加了挪車設(shè)備的成本也降低了挪車效率；梳齒式由于梳齒外伸的原因，會導致搬運器總體外形尺寸較大；梳齒式搬運器的叉梳與載車板的叉梳交錯布置，因此梳齒式搬運器搬運車輛時不需要將整個載車板進行存取，降低了能源消耗[3]。

由于立體車庫最先在國外出現(xiàn)，這也使得汽車搬運器在歐美等發(fā)達國家起步較早。如今停車的技術(shù)已不再滿足于單一的停車需求，而是趨于多樣化、智能化，人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)等一系列技術(shù)不斷被融入其中[4]。

1.3? 設(shè)計要點

針對上述技術(shù)不足，本文提供了一種汽車搬運器，如圖1所示。該汽車搬運器能夠改變連接板兩側(cè)安裝的支撐件之間的距離以適配不同汽車輪胎之間的間距，達到了能夠適配不同軸距汽車的效果[5]。

1.4? 項目創(chuàng)新

通過設(shè)置連接板，并在連接板的兩側(cè)設(shè)置延伸出來的液壓桿與連接槽的內(nèi)壁進行連接，從而通過連接板內(nèi)部的液壓裝置來控制液壓桿的伸縮，從而改變連接板兩側(cè)安裝的支撐件之間的距離以適配不同汽車輪胎之間的間距，達到了能夠適配不同軸距汽車的效果[6]。

通過在夾持桿的側(cè)面設(shè)置坡形面，且在夾持桿的相對面設(shè)置夾持輥，并使夾持輥的頂部改與夾持桿的頂部，在使用的時候，通過動力部輸出動力并使用支撐件傳動來改變兩個夾持桿之間的間距對輪胎進行夾持，輪胎受到夾持輥擠壓并逐漸提升智夾持桿的頂部，擠壓的過程中，坡形面能夠避免對輪胎和防滑紋進行傷害，達到了保護輪胎的效果。

2? 裝置結(jié)構(gòu)

2.1? 連接機構(gòu)結(jié)構(gòu)

所述連接機構(gòu)包括：連接板、液壓桿和防擋槽。連接板的兩側(cè)均安裝有液壓桿，連接板的兩側(cè)均開設(shè)有防擋槽；其特征在于：連接板的內(nèi)部設(shè)置有空腔，空腔的內(nèi)部安裝有小型液壓泵，液壓泵與液壓桿連接。

2.2? 支撐機構(gòu)結(jié)構(gòu)

所述支撐機構(gòu)包括：防護罩、連接槽、動力部、支撐件、移動滾輪、活動槽和傳動齒輪，其示意圖如圖2所示。所述防護罩的內(nèi)部設(shè)置有連接槽，所述連接槽的內(nèi)部安裝有動力部，所述防護罩的外側(cè)固定連接有支撐件，所述支撐件的兩端均活動連接有移動滾輪，所訴支撐件遠離防護罩的一側(cè)開設(shè)有活動槽，所述活動槽的內(nèi)部安裝有傳動齒輪。

2.3? 夾持機構(gòu)結(jié)構(gòu)

所述夾持機構(gòu)包括：夾持桿、夾持輥、坡形面和連接端，夾持桿上活動連接有夾持輥，夾持桿的相對面的頂部設(shè)置有坡形面，夾持桿的尾部固定連接有連接端。連接槽的內(nèi)部與連接板的外表面搭接，所述動力部的位置與防擋槽的位置相適配。液壓桿的頂端延伸至連接槽的內(nèi)部并與連接槽的內(nèi)壁固定連接，所述液壓桿位于動力部的兩側(cè)。傳動齒輪為三個齒輪組成，動力依次傳送，且中間的齒輪被動力部帶動。

3? 系統(tǒng)工作原理

3.1? 連接機構(gòu)

設(shè)置連接板，并在連接板的兩側(cè)設(shè)置延伸出來的液壓桿與連接槽的內(nèi)壁進行連接，從而通過連接板內(nèi)部的液壓裝置來控制液壓桿的伸縮，從而改變連接板兩側(cè)安裝的支撐件之間的距離以適配不同汽車輪胎之間的間距，達到了能夠適配不同軸距汽車的效果。

通過在夾持桿的側(cè)面設(shè)置坡形面，且在夾持桿的相對面設(shè)置夾持輥，并使夾持輥的頂部改與夾持桿的頂部，在使用的時候，通過動力部輸出動力并使用支撐件傳動來改變兩個夾持桿之間的間距對輪胎進行夾持，輪胎受到夾持輥擠壓并逐漸提升智夾持桿的頂部，擠壓的過程中，坡形面能夠避免對輪胎和防滑紋進行傷害，達到了保護輪胎的效果。

根據(jù)上文已經(jīng)介紹液壓桿的頂端延伸至連接槽的內(nèi)部并與連接槽的內(nèi)壁固定連接，液壓桿位于動力部的兩側(cè)。將液壓桿延伸至連接槽的內(nèi)部，從而通過液壓桿的伸縮來調(diào)整兩個支撐件之間的間距，而液壓桿位于動力部的兩側(cè)，從而能夠穩(wěn)定的對支撐件傳輸動力。傳動齒輪為三個齒輪組成，動力依次傳送，且中間的齒輪被動力部帶動，本實施例中動力部為與齒輪傳動連接的電機。

設(shè)置三個齒輪進行傳動，從而在對兩個夾持桿進行動力傳輸?shù)臅r候，能夠使兩個夾持桿相對運動，從而擠壓輪胎并將車輛頂起。

夾持桿通過連接端活動連接在活動槽的內(nèi)部，連接端的側(cè)表面開設(shè)有齒槽，齒槽與傳動齒輪兩側(cè)的齒輪嚙合。在連接端的側(cè)表面設(shè)置齒槽，從而能夠與傳動齒輪進行嚙合，當傳動齒輪被傳動的時候，能夠通過連接端帶動夾持桿進行運動，其中連接端的轉(zhuǎn)動軸心為與活動槽活動連接的點。

在使用時，通過設(shè)置連接板，并在連接板的兩側(cè)設(shè)置延伸出來的液壓桿與連接槽的內(nèi)壁進行連接，從而通過連接板內(nèi)部的液壓裝置來控制液壓桿的伸縮，從而改變連接板兩側(cè)安裝的支撐件之間的距離以適配不同汽車輪胎之間的間距，達到了能夠適配不同軸距汽車的效果。

3.2? 支撐機構(gòu)

在連接板的內(nèi)部設(shè)置空腔，并在空腔的內(nèi)部安裝小型液壓泵，從而通過小型液壓泵來控制液壓桿的伸縮，以改變連接板兩側(cè)支撐機構(gòu)之間的間距，而防擋槽用于在連接板收納至連接槽內(nèi)部的時候避免動力部造成阻礙。

3.3? 夾持機構(gòu)

設(shè)置夾持桿并被連接端帶動，從而使兩個夾持桿能夠相對運動對輪胎進行夾持，而夾持輪胎的時候，夾持輥優(yōu)先與輪胎接觸，從而將硬壓力轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動壓力，且設(shè)置坡形面用于改變夾持桿之間的硬邊，從而對車胎進行保護。

4? 有限元分析

利用Solidworks simulation對本文敘述的汽車搬運器進行有限元分析，首先對汽車搬運器進行受力分析，車輛輪胎收到車輛搬運器的夾持裝置所給的對稱的力F和力F′，以及自身的重力G，其三力共同左右使系統(tǒng)受力平衡，根據(jù)牛頓第三定律所述：相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上[7]，即可同理對車輛搬運器進行受力分析，汽車搬運器局部受力分析圖如圖3所示。

經(jīng)查閱資料，假設(shè)汽車搬運器運載重量為2噸的車輛，即前輪汽車搬運器需要承受近10 000 N的力，夾持裝置長度為45 cm，前輪汽車搬運器長度為75 cm，極限寬度為180 cm，整體結(jié)構(gòu)為碳素鋼[8]。計算結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力以及發(fā)生的位移。應(yīng)力應(yīng)變分布云圖如圖4所示。

經(jīng)計算得到結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力值σmax為117.922，屈服力σs為220.594，故結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。

故已知：σmax=117.922，所以σmax＜σs滿足要求。最大形變量為1.555 mm，從而驗證了理論受力模型及變形模型的可行性。

5? 結(jié)? 論

隨著智能立體車庫自動存取車輛技術(shù)的發(fā)展，汽車搬運器相關(guān)技術(shù)也得到快速升級與發(fā)展，本文基于機械設(shè)計、液壓傳動技術(shù)和齒輪傳動等基本知識和原理，提出了一種傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、夾持穩(wěn)定可靠、夾持高效的汽車搬運機器。完成了汽車搬運機器的裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)原理介紹。并通過Solidworks simulation對夾持機構(gòu)理想條件下進行靜態(tài)有限元分析，對所得到的應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)進行分析可以得出本文所提出的一種汽車搬運器具有很高的可行性和社會經(jīng)濟效益。

參考文獻：

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作者簡介：于宏博（2003—），男，漢族，河北衡水人，本科在讀，研究方向：交通工程。