王崇和 袁 夢 湯鑫劍 曹占龍 黃紫茜 楊昌盛

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院科技學(xué)院，湖北 十堰 442000；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442000）

0 引言

目前，城市中不允許汽車停在馬路上，車主通常會在自家周圍設(shè)置一個不影響交通的停車位，通過設(shè)置路肩產(chǎn)生高度差的方式將機(jī)動車道與人行道分開，然而這種方式會使汽車的通過性變差，甚至無法行駛。在汽車上路肩停車的過程中，因路肩過高而與輪胎側(cè)壁碰撞導(dǎo)致爆胎，不但造成經(jīng)濟(jì)上的損失，還會對交通產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的路肩雖然有利于維護(hù)交通，但卻導(dǎo)致車主停車不便，如車主要在路邊的商鋪等處停車時，需要上下路肩，傳統(tǒng)的路肩反而會阻礙交通。針對上述情況，本研究設(shè)計出一種用于輔助路邊停車的可變坡道裝置［1］。該裝置是輔助路邊停車、自動變形的新型坡道裝置，使用該裝置時會產(chǎn)生一個斜坡，在方便車輛駛出或駛?cè)氲缆返耐瑫r，也方便汽車停車。

1 裝置設(shè)計

輔助路邊停車的可變坡道裝置（見圖1）由六部分組成。可變式輔助坡道裝置采用兩段式結(jié)構(gòu)，外圍搭建板由一個橫板和一個可變式斜板組成，板間采用限位配合的方式。在豎板方向固定的情況下，斜板與板下的誘導(dǎo)輪相接觸，通過受力帶動滑軌向后移動，解除限位，配合實現(xiàn)坡道的延伸和變形。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 裝置運(yùn)行流程

可變式坡道輔助裝置通過折疊和受力的方式來改變道路情況。輔助坡道體積不大時，有充分的移動空間。同時考慮到弱視和光反射，該裝置在外觀上使用視覺辨別性較高的顏色，在造型上多運(yùn)用一些無尖角、圓滑的形體，從而減少磕碰、卡死現(xiàn)象的發(fā)生。

該裝置在傳統(tǒng)路肩的基礎(chǔ)上，增添滑軌結(jié)構(gòu)和彈簧組，用來代替?zhèn)鲃虞喿印鹘y(tǒng)路肩是用水泥做成出入口或用鐵直接焊出三腳架，固定式的設(shè)計無法保持交通的便利及道路的美觀。為了滿足使用者的需求，本研究設(shè)計的產(chǎn)品增加了自動伸縮系統(tǒng)。通過彈簧為該機(jī)構(gòu)提供動力，并可手動調(diào)節(jié)。面板背后的筋構(gòu)架用來增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在保證輕量化的同時，也滿足使用者的要求。圖2 為該產(chǎn)品的未展開狀態(tài)的展示圖。

圖2 未展開形態(tài)圖

1.2 運(yùn)動狀態(tài)詳解

本研究設(shè)計的產(chǎn)品受力過程如下。一號板開始發(fā)生第一次狀態(tài)改變，由豎直狀態(tài)到開始具有30°的傾斜角度，二號板跟隨一號板發(fā)生狀態(tài)上的改變，一號板和二號板的連接處在力的作用下產(chǎn)生一個斜坡。同時，由于三號板和彈簧連接，彈簧發(fā)生形變，并將重力勢能轉(zhuǎn)換為彈性勢能。當(dāng)外力消失時，由彈簧回彈拉動三號板，并由三號板帶動二號板和一號板回歸原位，從而完成一次運(yùn)動。其中，由滑塊和滑軌來限制其運(yùn)動。

1.3 一、二、三號板設(shè)計

本研究設(shè)計的產(chǎn)品采用金屬構(gòu)造，結(jié)實耐用、不易毀壞。塊狀的路肩不能滿足人們?nèi)粘Ｐ枨螅虼艘孕熊嚪奖?、?jié)約空間為核心來設(shè)計該輔助裝置。本研究通過巧妙的設(shè)計將塊狀路肩與坡道結(jié)合起來，使其適配電動車、汽車、自行車等，受力后其會發(fā)生形變而變?yōu)槠碌?，在車輛通過坡道后，裝置會自動復(fù)位。

1.3.1 活頁式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、運(yùn)動流暢，便于車輛行駛。在每一個板背后設(shè)計加強(qiáng)筋，增加其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在保證輕量化的同時滿足使用要求。

1.3.2 滑軌式設(shè)計。該結(jié)構(gòu)設(shè)計在給予面板支持力的同時，不影響整體運(yùn)動。

1.3.3 彈簧為機(jī)構(gòu)提供動力。當(dāng)機(jī)構(gòu)形態(tài)發(fā)生改變時，會提供拉力使其復(fù)原，可節(jié)省能源。

輔助坡道使用外置手動輔助來搭建裝置，在能源耗盡或受力不足時，不用擔(dān)心無法搭建坡道。

1.4 機(jī)構(gòu)簡化和自由度運(yùn)算

本研究設(shè)計的產(chǎn)品可簡化為一種曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 機(jī)構(gòu)簡圖（受力后復(fù)位的情況）

根據(jù)劉默［2］提出的基于MATLAB曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，對本研究設(shè)計的產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)算，其自由度運(yùn)算公式見式（1）。

式中：F為機(jī)構(gòu)自由度；N為活動構(gòu)建；PL為低副；PH為高副。

因此，該產(chǎn)品的自由度為1，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動為確定性運(yùn)動，即在使用過程中其運(yùn)動是可以確定的。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

在完成整體結(jié)構(gòu)設(shè)計后，要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗證分析，通過制作物理樣機(jī)來對結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗證。但在制作樣機(jī)的過程中許多參數(shù)是難以控制和測量的，可采用有限元分析法對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，本研究參考賈慧娜［3］基于ANSYS 的金屬板材拉伸模擬分析。

本研究設(shè)計的產(chǎn)品的主要受力點(diǎn)在三塊板上，板材的強(qiáng)度、在外力擠壓下是否會產(chǎn)生過大的形變而導(dǎo)致產(chǎn)品損壞和無法實現(xiàn)功能成為最主要的問題，因此，建立有限元靜力學(xué)分析模型對其進(jìn)行分析與校核。

2.1 有限元模型建立

本研究設(shè)計的產(chǎn)品在使用過程中是一個狀態(tài)量，且一直處于峰值狀態(tài)，可采用靜力學(xué)進(jìn)行分析。對模型進(jìn)行簡化處理，為減小計算量，可去除模型的倒角等，來提高網(wǎng)格質(zhì)量。利用Ansys Work?bench 軟件中mesh 模塊對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時對接觸區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，以提高網(wǎng)格的精確度。網(wǎng)格劃分的結(jié)果是最高網(wǎng)格質(zhì)量為0.95、平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.68、關(guān)鍵接觸位置的網(wǎng)格質(zhì)量均在0.3 以上，可有效降低計算的錯誤率。劃分完成的有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元網(wǎng)格模型

2.2 材料性能

為避免板在使用過程中產(chǎn)生損壞，對板的基本要求為外硬里韌，本研究采用的材料為結(jié)構(gòu)鋼，材料力學(xué)性能見表1。

表1 結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能

2.3 邊界條件

通過查資料可知，普通的家用汽車重量在1 t左右，經(jīng)過折算分析，其對本研究設(shè)計的裝置施加15 000 N 的力，并對該裝置進(jìn)行受力分析，判斷其能否承受汽車的重量，以此來判斷其能否滿足實際工況需求。

2.4 接觸強(qiáng)度計算

將15 000 N 的力直接施加在板材上，計算其形變量、在接受壓力過程中每一處產(chǎn)生的應(yīng)力，以及應(yīng)力最大處產(chǎn)生的形變量。其強(qiáng)度極限的計算公式見式（2）。

式中：σ為強(qiáng)度極限，MPa；Fb為承受的最大力，N；SO為原橫截面積，mm2。

通過式（2）可計算出板在多大壓力下會發(fā)生斷裂，并通過查表來判斷采用的材料是否符合設(shè)計和實際使用要求。

2.5 結(jié)果分析

材料的屈服強(qiáng)度σs為355 MPa，板在工作過程中不發(fā)生破壞的條件是其所受最大應(yīng)力值σmax不超過許用應(yīng)力［σ］，即σmax≤［σ］［8］，而許用應(yīng)力［σ］=σs/s。當(dāng)安全系數(shù)s取1.3時，得出［σ］=273.08 MPa。

經(jīng)過有限元分析得出應(yīng)力云圖，見圖5至圖7。

其中，每個板的形變量為3～5 mm，其等效應(yīng)力為3.146 2×108～1.260 6×109Pa，滿足設(shè)計要求。

通過對圖5 至圖7 進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在15 000 N力的作用下，裝置的形變量為3～5 mm，而一般家用汽車的重量為1.2～1.5 t，所以本產(chǎn)品可滿足其使用要求。

圖5 一號板等效應(yīng)力云圖

圖7 三號板等效應(yīng)力云圖

3 結(jié)語

單一性坡道不能很好地滿足相關(guān)要求，塊狀的路肩也不能滿足人們?nèi)粘Ｊ褂眯枨??；诖?，本研究通過巧妙的設(shè)計將二者結(jié)合，適配電動車、汽車、自行車等車輛，本研究設(shè)計的產(chǎn)品在受力后會產(chǎn)生形變，使用時會產(chǎn)生一個斜坡，方便車輛駛出道路或駛?cè)氲缆?，也方便路邊的汽車停車，力削減后其會自動復(fù)位，既不影響美觀，又經(jīng)濟(jì)實用。

圖6 二號板的等效應(yīng)力云圖

針對車輛越來越多的情況，本研究設(shè)計出的一種輔助路邊停車的可變坡道裝置可以很好地解決路邊停車難和上下車難的問題，因此本研究設(shè)計的產(chǎn)品具有廣闊的應(yīng)用前景和較大的潛在經(jīng)濟(jì)效益。

本研究通過自主創(chuàng)新，設(shè)計出一種用于輔助路邊停車的可變坡道裝置，用于解決在城市生活中路邊停車的不便，解決城市中亂停車和城市街道中不整潔問題。并運(yùn)用有限元方法對裝置在使用過程中的應(yīng)力和形變量進(jìn)行分析，計算結(jié)果與校核計算值誤差率小于6%，表明該有限元模型具有準(zhǔn)確性。