基于TRIZ理論小型車庫設計

基于TRIZ理論小型車庫設計摘要為了應對現(xiàn)今“寸土寸金”的社會中存在“停車難”現(xiàn)象，這次將運用到TRIZ（theoryofinventiveproblemsolving）創(chuàng)新理論進行分析與設計，給小型立體車庫確認到更好的創(chuàng)新設計方案。.首先，我們對目前社會中比較普遍的“停車難”問題進行了調查分析，接著介紹立體車庫的背景，發(fā)展之路以及對目前立體車庫所存在的問題進行分析；然后為了更好地解決“停車難”問題，讓各地方的車輛有更多的車位可以停放，引入TRIZ理論，通過因果分析，阿奇舒勒矛盾矩陣得出多種立體車庫的方案，選取其中一種，即將立體車庫設計成雙層、運用平行四邊形連接桿機構和液壓缸的動力來實現(xiàn)通過托舉上層車庫完成上下層移動的新型停車庫設計方案。在設計中，分析其自由度，運動軌跡，確立各個零部件的參數(shù)，再對零部件進行校核計算。最后，用CATIA軟件對所設計的車庫進行三維建模、仿真分析。關鍵詞：TRIZ；立體車庫：托舉；平行四邊形連接桿機構；液壓缸；CATIASmallgaragedesignbasedonTRIZtheoryAbstractInordertodealwiththephenomenonof"parkingdifficulty"intoday's"landandmoney"society,thispaperwillapplythetheoryofinnovativeproblemsolving(TRIZ)toanalyzeanddesign,andconfirmabetterinnovativedesignschemeforsmallthree-dimensionalgarage..Firstofall,wehaveinvestigatedandanalyzedthecommon"parkingdifficulty"probleminthecurrentsociety,thenintroducedthebackground,developmentpathandexistingproblemsofthethree-dimensionalgarage;theninordertobettersolvethe"parkingdifficulty"problem,sothattherearemoreparkingspacesforvehiclesinvariousplaces,weintroducedTRIZtheory,throughcausalanalysis,aQishulecontradictionmatrixobtainsmanykindsofplansofthree-dimensionalgarage,andchoosesoneofthem,thatis,thethree-dimensionalgarageisdesignedintoadouble-layer,usingthepowerofparallelogramlinkagemechanismandhydrauliccylindertorealizethenewdesignplanoftheparkinggaragethattheupperandlowerlayersaremovedbyliftingtheuppergarage.Inthedesign,analyzethedegreeoffreedom,motiontrack,establishtheparametersofeachcomponent,andthencheckandcalculatethecomponents.Finally,thedesignedgarageismodeledandsimulatedbyCATIAsoftware.Keywords:TRIZ；Stereogarage:lift；Parallelogramlinkagemechanism；Thehydrauliccylinder；CATIA；目錄TOC\o"1-5"\h\u139031前言 6288301.1本設計的目的、意義及應達到的技術要求 722051.2立體車庫在國內外的發(fā)展概況及存在的問題 8158211.3本設計應解決的主要問題 9289022發(fā)明問題解決理論 10166532.1引言 10122722.2TRIZ的定義 11128522.3TRIZ理論體系 11142903小型立體車庫的總體方案擬定 13220563.1目前小型升降立體車庫的分析 13123563.2小型立體車庫的因果分析 15313693.2.1五個為什么分析 15271693.2.2因果軸分析 15169363.3小型立體車庫的方案確認 17214553.3.1小型立體車庫主要的問題 17264103.3.2小型立體車庫的方案 17299114液壓托舉式立體車庫的設計 19211224.1車庫設計 19193504.2機構介紹 19306054.3運動分析 2014754.4機構的自由度分析 20240034.5平行四邊形連接桿機構的運行軌跡分析 21253514.6托舉機構的受力分析 22112285小型立體車庫的各參數(shù)確認 2415835.1承載托盤的設計 24237315.1.1承載板的參數(shù)確定 24237705.1.2承載板的應力校核 24298875.2液壓平行四邊形連接桿機構的結構設計 25147725.2.1托架部分 25986托架的參數(shù)確認 2523939托架的最大彎曲應力校核 25242335.2.2平行四邊形連接桿部分 2619847平行四邊形連接桿參數(shù)的確定 265096連桿機構的最大彎曲應力校核 2725665.2.3液壓缸的選擇 2813745.2.4銷軸的設計 293569銷軸的參數(shù)確定 292388銷軸的強度校核 3023155.3底座的設計 31247555.3.1底座的選材與整體設計 3140955.3.2底座的校核 31284826車庫仿真建模 3267097總結 3420117參考文獻 359082謝辭 3822954附錄 391前言當今社會，人們出門大部分都開車，隨著用車數(shù)量的增多，汽車停放問題已經(jīng)是如今城市里面較為多見的靜態(tài)交通問題［1］。靜態(tài)交通的存在，是相對于動態(tài)交通的，動態(tài)交通主要是指路上行駛的車輛；相反之，靜態(tài)交通指的是車輛的停放，這兩個交通問題又互相促進又相互制約，就像是一個天平，但一旦有一方失去平衡，城市交通路段擁堵和停車難的兩個重大問題變會迎面撲來［2］。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2018年底，全國的汽車已經(jīng)達到2.4億輛，比起2017年來說，擴增了2285萬輛，上升了10.51%。其中，私家車就是其中增長最快的。同時，在最近這幾年的城市交通建設中，動態(tài)交通問題被重視，位于相對位置的靜態(tài)交通，卻一直處于冷板凳的位子，幾乎沒怎么去解決［1］。目前，我國各大城市中，根據(jù)汽車數(shù)量與停車位的配比率的數(shù)據(jù)就可以說明問題，其中相對較高的有：深圳1：0.602、北京1：0.57、杭州1：0.55，但是，正常交通秩序的配比率是1：1.2-1.5，這些數(shù)據(jù)與其比較，少了很多。而且，所統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示，已經(jīng)越過6000萬的車輛沒有車位，這一現(xiàn)象無疑是造成的極其嚴重的停車難局面。此外，根據(jù)《2017智慧停車行業(yè)大數(shù)據(jù)報告》的統(tǒng)計分析，中國中只有近9%的車位停放汽車率高于50%，停放率高于40%的只有約20%，停車位停放率低于30%有約50%。再回到最初的數(shù)據(jù)顯示，有2.4億的汽車數(shù)量，停車位的整體缺乏是一個板上釘釘?shù)氖聦?，它的停放率不高也是一個很實際的問題。于靜態(tài)交通來說，它已經(jīng)變成動態(tài)交通的制約因素，如今如果把希望放在有足量高效率的平面停車場的話，顯然是很沒意義的?，F(xiàn)在，不論如何降低汽車的使用率還是車庫的使用率，車，總歸是要有位子放才行。在應對超過6000萬停車位缺乏的情況中，解決停放問題的首要任務還是要增加停車位的數(shù)量，在利用有限的土地資源上盡可能多的增加停車位。傳統(tǒng)中，平面停車場的優(yōu)勢是：占地空間大，且容車量有限，現(xiàn)在已經(jīng)沒法支持大家的停車需求了。所以，許多城市針對這嚴峻的問題，采取了許多措施，其中一個就是嘗試在市區(qū)中建造立體車庫來實現(xiàn)“以空間換場地”的目標。這類罕見的立體車庫有很多種類：比如：機械式立體車庫，自走式立體車庫。比起自走式立體車庫，機械式立體車庫更具有優(yōu)勢，它結合了機械、電子、液壓等多種技術，擁有智能化程度高、占地空間小等特點，這樣子的設計，可以充分多地讓更大的面積得到使用，也可以隨機應變的進行更改，甚至可以和普通的平面停車場、地下車庫和大型的停車樓一起組合使用，是如今能夠更有效解決城市停車難問題的辦法，也是停車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路［2］。機械式立體車庫的工作原理有很多，種類也可分為很多種，如今比較普遍的可分為升降橫移、簡易升降、垂直循環(huán)、水平循環(huán)、多層循環(huán)、平面移動、巷道堆垛、垂直升降和汽車升降機九大類。1.1本設計的目的、意義及應達到的技術要求隨著停車難的問題逐漸擴大，立體車庫的建立已經(jīng)逐漸達到認可，卻鮮有人會對立體車庫的結構的進化進行系統(tǒng)深入的研究。在機械立體車庫的眾多種類中，簡易升降類小型立體車庫能實現(xiàn)至少“一庫兩車”的目標，能夠做到很有效地解決小區(qū)域內的各種“停車難”問題。本次設計，也將主要從簡易升降類車庫入手。簡易升降類立體車庫的發(fā)展史，初始階段，是由傳統(tǒng)的簡易升降類車庫發(fā)展到到之后出現(xiàn)的無避讓類立體車庫，中間也經(jīng)過了很多代的立體車庫演變，汲取了許多研究成果，積累了許多研究經(jīng)驗，最后對其進行信息整理，綜合分析，然后逐漸發(fā)展到現(xiàn)在。他的研究與出現(xiàn)，是對立體車庫的有效運用具有深刻的意義，同時也為以后簡易升降類立體車庫的發(fā)展與創(chuàng)新提供了一定的理論依據(jù)。1.2立體車庫在國內外的發(fā)展概況及存在的問題立體車庫，是各個國家在應付停車難題上的有效措施，其在歐美國家開始誕生，這方面技術流經(jīng)日本韓國后得到有力的發(fā)展，同時，［1］也是汽車工業(yè)發(fā)展和科學技術進步的產(chǎn)物［7］。目前，各類的停車問題窮出不盡，尤其在亞洲各國出現(xiàn)的次數(shù)較多，根據(jù)各方數(shù)據(jù)顯示，立體停車的相關市場主要分布在中國、韓國、日本等多個地方。論國外，說到立體車庫的源頭，就可以想到上個世紀的美國。首先，第一座機械式升降立體汽車庫就是在美國被建造而成的，而此時，當立體車庫出現(xiàn)的時候，一直面臨難題的停車問題得到了很好的解決。隨著科技的發(fā)展，世界各國也都緊隨美國的后頭，更多種形式的立體車庫也開始在歐洲的國家出現(xiàn)。20世紀60年代，汽車方面的工業(yè)也逐步開始大力的發(fā)展，其中，在亞洲國家尤為凸顯，而私家車的數(shù)量更是急速上升，停車難的問題也跟著出現(xiàn)了。隨著逐漸的問題出現(xiàn)的越來越多，各個國家和其大小地區(qū)都開始注重機械式停車庫的研究，都取得了不錯的發(fā)展，很有效地緩解了停車難的狀況。與此同時，也逐步作為了一個包含著立體車庫制造、安裝、使用和維修的產(chǎn)業(yè)鏈起步。其中，起步較早、發(fā)展較快的就是那些人口數(shù)量多，用車數(shù)量也大但占地面積不大的國家與或者地區(qū)，如：日本、韓國和我國的港、澳、臺。日本，在汽車行業(yè)方面頗有名氣，論到汽車車庫方面，他也是應用機械式立體停車庫的首批國家之一，其中，新明和三菱重工就是其發(fā)展較為好且比較出名的企業(yè)。而其余發(fā)展的比較好的國家韓國、中國以及臺灣地區(qū)對于立體車庫的研究相較落后一些。八十年代期間，韓國引進日本的技術，同時政府給予大力支持，讓立體車庫的技術研究突發(fā)猛進，并在九十年代就能夠熟練掌握了。所以，在各國的重視政策之下，立體車庫已經(jīng)有了很多種種類，而且每年都以30％左右的速度在增加，發(fā)展比較穩(wěn)定。論國內，跟國外的技術比起來，我國立體車庫方面技術的發(fā)展稍晚些，一開始研究的機械式立體車庫大部分都是仿日本生產(chǎn)的［10］。20世紀80年代，立體車庫首次出現(xiàn)在臺灣，而1989年的時候，垂直循環(huán)式立體車庫也開始在內陸出現(xiàn)［9］，逐步的，90年代初期成為了立體車庫的技術引進和消化階段［8］。同為80年代，我國也已經(jīng)接觸了立體車庫，可惜近20年沒有很大的發(fā)展空間，這方面技術也是沒有發(fā)展下去。到20世紀90年代末21世紀初，由于汽車工業(yè)和建筑業(yè)的快速進步，轎車也隨著融入我們家庭，汽車的使用數(shù)量也快速上升，所需要的停車位也增多，此時的機械式立體車庫，開始受到國家的重視，得到良好的推廣與應用很，并逐漸形成了新興的停車設備行業(yè)［11］。2015年，著力發(fā)展車庫技術的企業(yè)數(shù)目上升迅速，很快就達到近百家。在國內立體車庫制造企業(yè)發(fā)展的同時，全國起重機械標準化技術委員會也經(jīng)過近20年的努力，給機械式停車設備9大類產(chǎn)品均制定了相應的產(chǎn)品標準［12］，這無疑是為機械式立體停車設備的創(chuàng)新發(fā)展奠定了基礎。如今，經(jīng)過先前的快速發(fā)展，機械式立體車庫行業(yè)也是進入了穩(wěn)定發(fā)展階段，在將來，汽車的使用量會增多，機械式立體車庫的需求是很有潛力的。近幾年，停車問題的逐漸增多，國家的重視程度也迅速上升，國家和地方政府對此越來越重視，發(fā)布及出臺了十多項關于停車方面的法律法規(guī)和政策。正是在國家的重點關注之下，一種基于“新建建筑必須滿足自己產(chǎn)生的停車需求”的原則即配建車位指標概念應運而生。隨著政策的進一步落實，近些年各個城市大力建設配建車位以滿足人民的需求，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示：隨著城市建筑所配套建設的停車位數(shù)量越來越多，如今配建車位已經(jīng)約占整個城市停車位總量的80%，在一些城市配建車位的數(shù)量甚至能夠達到占全市95%。但是隨著國家城鎮(zhèn)化建設的快速發(fā)展，我國汽車的擁有量大幅提升以及我國房地產(chǎn)市場的持續(xù)萎縮，城市停車難的問題仍為解決，因此國內機械式停車設備的市場重心也從以增加住宅小區(qū)所配套的停車位需求為主導的市場向以解決城市重點城區(qū)實際的停車需求為主導的市場轉變。所以，現(xiàn)在越來越多的人對小型機械立體停車設備進行研究，經(jīng)過不懈的努力得出了許多有效的研究成果，研究出了不同類型的機械立體式停車設備，如簡易升降式的立體車庫、無避讓式的立體車庫等，但是這些機械立體式停車設備仍然存在著一些問題。小型機械式立體停車設備的結構較為復雜，在停車和取車的過程中需要花費駕駛員較長的時間停放，同時建設這些停車設備需要花費的成本及維護維修費用較高。因此，各大企業(yè)與高校投入大量的人力物力對此進行研究，通過將計算機電子信息、液壓控制等技術的相互結合，以停車設備越來越智能化，存取速度越來越快、控制技術越來越成熟為目標，在實際應用停車設備的基礎上進行創(chuàng)新研發(fā)，為未來機械立體式停車設備的發(fā)展奠定良好的基礎。1.3本設計應解決的主要問題目前，基于立體車庫的分析，應解決的問題主要有：車庫在存取車輛的時候，上下層車庫能相互不干涉；2、該車庫的存在不會影響隔壁車庫的運作；3、車庫在存取車庫的過程，操作簡便；2發(fā)明問題解決理論2.1引言當今社會，科技發(fā)展越來越快，人們的生活品質也隨著上升，對身邊產(chǎn)品的要求也越來越高，“高質量，低成本”是明顯的趨勢，這些要求無疑是給現(xiàn)在的設計人員出了個難關，無論是要求其有所會知識、思維能力，都得是需要很有能力的人進行創(chuàng)新設計，展示其產(chǎn)品的及時性、可靠性、先進性以及經(jīng)濟性［20-22］。為此，對于設計人員如何提高產(chǎn)品各方面性能，對產(chǎn)品的創(chuàng)新、思維開拓方面都有新要求。在機械行業(yè)競爭中一個十分重要的因素就是通過方法理論結合對現(xiàn)有產(chǎn)品進行創(chuàng)新，如何在概念設計階段對產(chǎn)品進行創(chuàng)新也成為企業(yè)研發(fā)的重要問題。國際上有很多著名設計理論，其中TRIZ理論較為突出，相較其它設計理論，TRIZ理論通過將問題標準化處理，逐步分析問題矛盾，最終結合各專業(yè)領域知識找到解決方案，具有較強思維發(fā)散性與可操作性。2.2TRIZ的定義TRIZ［23-27］(俄文縮寫)理論全稱為發(fā)明問題解決理論，是由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒先生創(chuàng)立。由于TRIZ理論的標準化、嚴謹性和普遍性，使其很快在各國得到發(fā)展。TRIZ研究團隊耗費大量人力物力對全世界的先進專利進行研究、總結，綜合各學科專業(yè)原理并進行大量實驗驗證，最終總結出在發(fā)明創(chuàng)造過程中解決技術問題的規(guī)律方法。之后，阿奇舒勒綜合了這些規(guī)律和法則，形成了TRIZ理論，通過該理論可以有效加快創(chuàng)新進程，快速得到高質量的創(chuàng)新產(chǎn)品［28-35］。多年來的實踐效果反映出TRIZ理論在設計師進行創(chuàng)新設計研發(fā)工作時具有良好的思路擴展和引導作用，對創(chuàng)新設計領域具有重要意義?？偟膩碚f，TRIZ理論是一種創(chuàng)新研究工具，在發(fā)明創(chuàng)造過程中輔助人們分析問題根本矛盾并尋找對應解決方法，正如著名的TRIZ專家Sawansky博士對TRIZ的定義：TRIZ是基于知識的、面向人的、發(fā)明問題解決理淪、系統(tǒng)化的方法學［36］。目前在解決工程問題時，TRIZ理論是最強有力的工具。2.3TRIZ理論體系TRIZ理論的核心思想主要體現(xiàn)在3個方面。首先，無論是一個簡單產(chǎn)品還是復雜的技術系統(tǒng)，其核心技術都是遵循著客觀的規(guī)律發(fā)展演變的，即具有客觀的進化規(guī)律和模式。其次，各種技術難題、矛盾和矛盾的不斷解決是推動這種進化過程的動力。再就是技術系統(tǒng)發(fā)展的理想狀態(tài)是用盡量少的資源實現(xiàn)盡量多的功能。傳統(tǒng)上，TRIZ的理論體系的表述方式如下圖2.1：圖2.1TRIZ經(jīng)典體系的表述方式TRIZ理論包含著許多系統(tǒng)、科學而又富有可操作性的創(chuàng)造性思維方法和發(fā)明問題的分析方法。而如今，經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，TRIZ理論已經(jīng)成為一套解決新產(chǎn)品開發(fā)實際問題的成熟的九大經(jīng)典理論體系，如：八大進化法則、最終理想解、40個發(fā)明原理、39個工程參數(shù)及阿奇舒勒矛盾矩陣、物理矛盾和四大分離原理、物一場模型分析、發(fā)明問題的標準解法、發(fā)明問題解決算法、科學效應和現(xiàn)象知識庫。3小型立體車庫的總體方案擬定3.1目前小型升降立體車庫的分析此次設計，主要以簡易升降類立體車庫為主體來研究。在如今當中，根據(jù)使用率較高的立體車庫種類中可知，不同升降形式的簡易立體車庫，其車庫車輛進行多層停放時，實際過程中主要有三種不同類型的運動形式：升降運動、平移運動和回轉運動。在簡易升降立體車庫最開始傳動機構中，其機構傳動方式大致都為最普通的升降運動，例如：俯仰傳動機構中液壓缸的伸縮［40］、卷揚機通過正反轉的方式帶動鋼絲繩運動［41］、液壓動力驅動剪叉式升降機構［42］和卷揚機動力驅動的鋼絲繩與滑輪組相互配合運動［43］實現(xiàn)上一層車庫升降，結構如圖3-1所示。圖3.1簡易升降類立體車庫早期傳動機構圖目前，傳統(tǒng)的簡易升降立體車庫優(yōu)點有：運動簡單可靠、安裝費用低等。因此，在生活中，使用范圍是較廣泛的，它的傳動形式主要有電機動力驅動鋼絲繩向上提升、液壓缸俯仰驅動向上提升、液壓缸垂直提升和鏈輪鏈條相互嚙合向上提升等，形式如圖3-2所示。圖3.2傳統(tǒng)簡易升降類立體車庫提升方式圖綜合以上內容分析知，簡易升降類車庫通常情況下分為上下兩層結構，大部分都是借助升降機構或俯仰機構完成汽車的停放，如當下車車庫有的車的時候，我們又剛好要把車停到上層車庫去，這個時候就只能把下車車庫內的車移動出來需。于傳統(tǒng)的簡易升降形式的立體車庫來探究后，其現(xiàn)在所存在的最重要的問題就是：上層車庫車位在存放時，無法避免的因為下層車庫車輛移出時造成不便。若根據(jù)立體車庫的客戶需求方面分析的話，歸根到底，簡易升降類立體車庫的服務對象就是我們這些生活著的人們。因此，要使簡易升降類立體車庫實際生活中廣泛應用，就必須能夠讓我們這些服務群體感受到生活的便利，即能夠簡單快速的完成停車。就比如：在我們需要把車停放在上層車庫的時候，不需要考慮到下層車是否存在，不需要去把下層車移開。所以，此次設計就將從這方面問題進行改良優(yōu)化。3.2小型立體車庫的因果分析3.2.1五個為什么分析以上節(jié)內容來論，根據(jù)目前簡易升降類立體車庫所存在的問題進行分析，先采用五個為什么“為什么”的方法進行因果分析，通過一步步分析，得出有效的解決問題的方案。在存取上層車庫時候，下層車輛需要避讓。為什么？在下降過程中，在下層的車輛阻礙了讓上層車輛轉移機構的運行路徑。為什么會阻礙機構的運行路徑？在上層存取前，需要把車輛轉移到下層車庫的位子上。為什么需要轉移到下層車庫的位子上？上層車直接在上層入庫比較難以實現(xiàn)。為什么難以實現(xiàn)？5、簡易升降車庫采用的機構都是垂直的升降機構或者俯仰機構這類結構較為簡單的機構，其的存取路徑基本都會經(jīng)過下層車庫。那么，解決方案：可從機構的存取路徑上入手。3.2.2因果軸分析由于車庫系統(tǒng)的不足，在此對其進行因果軸分析，可進一步地分析其產(chǎn)生的原因，再利用這些原因寫成因果軸，用其表達出來，如圖3.3所示而因果軸的組成則是原因軸加上結果軸來表示，原因軸上，找到的因素為：1、下層對上層車的運作路徑有阻礙、2、機構運作過程，下降點在下車位，會發(fā)生碰撞；3、機構結構單運作路徑較為單一；而結構軸較為簡單，找到因素為：當上層車需要存取時，下層車庫有車。然后，對因果軸進行圖形化規(guī)范描述，如圖3.4所示。描述完后，得出下層車需要避讓的根本原因為：1、機構的運作路徑過度；2、存取機構的運作過程不穩(wěn)定；3、下層降落點的存在造成了有害影響；4、上層車庫的直接入庫條件比較不足。5、選用的機構結構復雜程度不夠。下層車需要避讓下層車對上層車庫的運行路徑有阻礙下層車需要避讓下層車對上層車庫的運行路徑有阻礙上層車需要存取時下層車庫有車機構運作路徑中，下降落點在下車位空間中上層車直接在上層入庫的條件不足機構結構簡單運作路徑較為單一原因條件條件圖3.3簡易升降類立體車庫的因果軸分析模型不足方便性存取機構不穩(wěn)定運作路徑存取機構存在下層車輛存在位子下層降落點不足入庫條件上層車庫不足復雜程度存取機構圖3.4簡易升降立體車庫的因果軸規(guī)范化模型3.3小型立體車庫的方案確認3.3.1小型立體車庫主要的問題由之前的分析可知，目前的問題是：上層車輛較為難以實現(xiàn)直接在上層入庫，然后只能都通過下降至下層車庫所在的位子，再在下層入庫，然后通過機構提升上去。在這個過程中，下層車庫會對上層車庫的運行路徑造成阻礙，從而需要將下層車移開。此外，還可能會出現(xiàn)因為上下兩輛車在不同的時間段使用的原因，會對下層車輛的車主帶來麻煩，上層車輛的車主也會有所不便，即在下層車存取車時候，而上層車庫需要被使用的時候。3.3.2小型立體車庫的方案根據(jù)所分析的主要問題與阿奇舒勒矛盾矩陣的方法，對小型立體車庫一遍步驟后，在此對所能確定的方案進行匯總與簡單介紹，如表3.1、表3.2。表3.1方案的沖突確認過程匯總表表3.2方案的確認匯總表在此，我們選取方案四來進行深入研究與設計：阿奇舒勒矛盾矩陣立體車庫創(chuàng)新設計實施：（1）描述關鍵問題：上層車庫E移動到下層需要把下層車挪開（2）將問題轉化為技術矛盾：如果通過非垂直路線下降，那么無需挪開下層車，但是機構會變復雜（3）識別矛盾參數(shù)，B1為參數(shù)33使用方便性（可操作性），C1為參數(shù)37設備復雜性。（4）對照B1列C1行，查找阿奇舒勒矛盾矩陣如表1，獲得發(fā)明編號32、26、12、17，其中，32是指改變顏色、擬態(tài)，26是指復制，12是指等勢，17是空間維數(shù)變換。（5）根據(jù)所推薦發(fā)明原理，選擇17號空間維數(shù)變換，該發(fā)明原理就是講本來在二維面運動時所存在的問題，運用過度到三維空間運動來消除。則根據(jù)空間維數(shù)變換的發(fā)明原理，將采用液壓托舉機構的方法來實現(xiàn)。4液壓托舉式立體車庫的設計4.1車庫設計此立體車庫系統(tǒng)的結構主要由承載托盤機構、底座、平行四邊形連接桿機構、兩液壓缸、傳感器和控制系統(tǒng)組成。可歸為簡易升降類立體車庫。車庫總體結構簡單、當兩車處在承載托盤上且為上下兩層狀態(tài)時，為正常的儲存狀態(tài)。上層車庫的原理大致為，由平行四邊形連接桿機構實現(xiàn)的上下層移動，移動過程由平行四邊形連接桿機構中原動臂處的液壓缸水平伸縮運動實現(xiàn)如下圖4.1。整個車庫結構簡單，操作方便，且上層和下層車庫互相獨立，機構安全護鎖，運行可靠，效率也高。圖4.1車庫簡圖4.2機構介紹平行四邊形連接桿機構是由兩個平行四邊形連接桿分別連接兩個液壓缸組成。液壓缸水平裝在平行四邊形連接桿機構上方的一側，缸體底部和液壓導桿頂端都有活動銷軸的連接裝置，缸體底部和底盤連接，液壓導桿頂端和平行四邊形連桿上凸起部位的原動臂連桿連接，令平行四邊形連接桿機構在液壓缸的伸縮運動過程中向上轉動。平行四邊形連接桿機構與液壓缸一起安裝在底座上，平行四邊形連接桿機構的另一端（與液壓缸相反端）與連桿構成托盤托架，托盤托架與承載托盤底部相連。4.3運動分析當車庫的上層有車停放且已經(jīng)儲存完畢的時候，，整個托舉機構是直立的狀態(tài)。即連桿機構為與地面成垂直狀態(tài)，托架在最上方被托舉靜止不動的狀態(tài)。此時，當車庫需要運作的時候時，托架部分需往下層移動，可以通過操作控制面板上的頂層存車按鈕，液壓缸準備開始運作，此時，車庫上裝的傳感器開始工作，當檢測到車庫滿足運行的條件后，液壓缸開始伸出，推動者原動臂，使連接桿開始往下層轉動。此時，連接桿以B、B’、A、A’為旋轉點，以緩慢的速度把托架降至下層，放平在地面，如圖4.2。圖4.2平行四邊形連接桿機構簡圖反之，降至下層時候，若有停放的車入庫后停在承載板上，按動控制面板上的按鈕，液壓系統(tǒng)重新工作，液壓缸的伸縮桿開始收縮，帶著平行四邊形連接桿機構托舉著托架和承載板與車做類圓曲線的往返運動。當液壓缸收縮至極限的時候，也是最初的直立狀態(tài)，車輛位于最高位子，此時整個機構各部分都處于穩(wěn)定狀態(tài)。4.4機構的自由度分析每設計一個機構，或者認真解析一個機構，首先做的就是他的自由度分析和計算。計算公式為：(式4.1)式4.1中：F——機構的自由度；N——機構活動構件數(shù)；P1——機構中低副的數(shù)目；Ph——機構中高副的數(shù)目。得出結果后，若F=0的話，這個結構為剛性桁架結構，則構件之間無相對運動［37］。若原動件數(shù)目>F時，則各機構無確定的相對運動［38］；若原動件數(shù)目<F時，則該機構容易在薄弱處發(fā)生損壞。但若是當機構自由度F>0時，此時，也正是機構中原動件數(shù)目與機構自由度數(shù)值相同時，也證明此機構具有確定的運動［39］。如圖4.2中所示，下方的連桿AC與連桿A'C通過橫連桿11’和橫連桿22’剛性連接，使得AA'C'C形成一個框形構件；同理，上方的連桿BD與連桿B’D’通過橫連桿33’和橫連桿44’剛性連接，也令得BB'D'D形成一個框形構件；AB與A'B’是一起安裝在底座上的，它們兩個也形成一個構件；而連桿CD與連桿C'D處于連接部位，他是由平行四邊形連接桿和托架與載車板連接并成為一體。所以，構件中的A'、B’、C'、D’形成了虛約束。經(jīng)過計算，平行四邊形連接桿機構的自由度為：F=3×3-2×4-0=1，所以它的自由度為1，把框型結構BDD'B’（與兩個液壓缸連接的結構）作為原動件，原動件數(shù)目與機構自由度數(shù)值相同，都為1，所以這個機構具有確定的運動軌跡［40］。4.5平行四邊形連接桿機構的運行軌跡分析下面用解析法進行分析，對象是平行四邊形連接桿機構上任意一點E的運動軌跡［41］，如圖4.3所示。以連桿BD為原動件，取B點為坐標原點，則連桿DC延長桿上一點E的運動軌跡方程為：（式4.2）參考運動軌跡方程4.2可以得出，點E，是連桿DC延長桿上的任意一點，他的軌跡是由主動連桿BD決定的半圓弧形，這個半圓弧的回轉半徑就等于連桿BD或AC的長度，即R=LBD或者R=LAC，其圓心坐標為（LCEcosβ+LDC，LCEsinβ）。圖4.3平行四邊形連桿結構簡圖再用圖解法來對另一部分的托架上任意一點e的軌跡進行分析，如下圖3.10所示。圖中，巧妙地畫出機構運行時期，在不同位置上的運動示意圖，可以看出其運動軌跡。參考圖4.4，會知道托架上任意一點e的軌跡，是由主動連桿bd決定的圓弧，該圓弧的回轉半徑就等于連桿bd或ac的長度，即r=lbd或r=lac，圓心坐標0位于距離a點的lce之處，即長度Lao=Lce此外，通過圖4.4也可以看出，我們的平行四邊形連接桿機構的最大高度和水平位移的距離，也就是連桿ac或bd的長度。圖4.4機構運動軌跡示意圖4.6托舉機構的受力分析機構的液壓缸作用于平行四邊形連接桿機構的原動臂連桿，當位于某一時刻的C點、D點、E點受力情況分析，如圖4.5所示。圖4.5機構受力分析簡圖承載托盤除了受到承載車輛的重力，還有托盤自重，假設合并起來后的重量為Go，重心的位置如圖4.5所示。承載托盤除了受到重力Go外，還要受到機構連桿AC和DC的作用力，整個機構在液壓缸的作用下，保持一種穩(wěn)定的狀態(tài)［42］。E點受力平衡方程：（式4.3）C點力矩平衡方程：（式4.4）通過各點受力情況和方程等式可以看出，在整個水平托舉或下降動作的運動過程中，在任一點的平衡狀態(tài)，所需液壓缸的動力FEF，是隨著托舉機構所處于的位置狀態(tài)的不同而不同的。5小型立體車庫的各參數(shù)確認5.1承載托盤的設計5.1.1承載板的參數(shù)確定液壓托舉式小型立體車庫的車容量為兩輛，車型現(xiàn)選擇中小型車型為例，尺寸上限設定為：總長4800mm，寬1800mm，總高1550mm，重1700kg。承載托板尺寸，也即汽車載車板的尺寸，考慮到停放要求，肯定比車型的尺寸大，則設定為：總長5800mm，寬2300mm，厚度5mm。由于對應力的承受能力要求較高，故底板的材料選為45號鋼，密度為7.85×103kg/m3，根據(jù)質量公式公式：（式5.1）則根據(jù)公式5.1托盤的質量為：由于車上可能還有其他附件或者物品，因此將托板的質量修整為m板=530N重量G板=530×10=5300N 5.1.2承載板的應力校核當汽車停在底板上時，由于每個車輪與底板的接觸面積為0.02平方米，總的接觸面積為0.08平方米，當人在車里面，再加上其他負重，以及汽車的自重，底板受到的力為：（式5.2）則：45鋼的抗拉強度［σ］=610Mpa根據(jù)應力公式：（式5.3）底板上接觸面的擠壓應力為：<［σ］故材料及其底板尺寸選擇滿足要求。5.2液壓平行四邊形連接桿機構的結構設計5.2.1托架部分托架的參數(shù)確認在連桿機構的設計中，托架起著極其重要的部分，他是撐起上層車庫的重要角色，此處，選用材料為Q235鋼，厚寬為75×150mm的鋼架作為機構機架，體積為V1=0.24m3,與托板接觸面面積S1=3.09m,架子部分總長度為l=2.3m，則根據(jù)公式5.1托架的總質量為：重量為：這部分總重量為：其結構設計如圖5.1所示：圖5.1托架結構設計托架的最大彎曲應力校核當托架托著承載板的時候，和懸臂梁受均勻載荷時候的情況相同，可歸為一類研究。當受到均勻載荷時，彎矩的公式為：（式5.4）均勻載荷q的公式為：（式5.5）則根據(jù)公式5.4、5.5當受到均勻載荷q的時候，最大彎矩為：矩形鋼材的截面系數(shù)公式為：（式5.5）式5.5中，a——寬b——厚所以其截面系數(shù)為：此時應力計算公式為：（式5.6）所以根據(jù)式子5.6實際應力為：最大許用彎曲應力為：［σ］=158MPa=158×106Pa>σ1；故材料及其托架尺寸選擇滿足要求。［Q235參考資料］Q235鋼許用彎曲應力［σ］=158MPa許用剪切應力［τ］=98MPa許用擠壓應力［σ］p=240Mpa5.2.2平行四邊形連接桿部分平行四邊形連接桿參數(shù)的確定平行四邊形連接桿，同托架部分一樣，是搬運上層車庫的重要結構，還再運作工程中，起著主要的支撐作用。在此，選用材料為Q235鋼，厚寬為100×100mm的鋼架，機構連桿部分的總長為5400mm，體積為V2=0.63m3，則根據(jù)式子5.1連桿機構的質量為：重量為：當整個機構運作時候，連桿機構所受的總重力為：其結構分為上下兩個機架，由銷軸和其他部件連接后構成平行四邊形連桿，設計如圖5.2所示：圖5.2連桿上下部分機架連桿機構的最大彎曲應力校核當平行四邊形連接桿機構開始工作的時候，情況可當做懸臂梁正常受力的來分析此時，彎矩計算公式為：（式5.7）式子5.7中，P——所承受力A——到受力點的距離根據(jù)公式5.7，最大彎矩為：根據(jù)公式5..5矩形鋼材的截面系數(shù)為：所以根據(jù)公式5.6實際應力為：；故材料及其機構尺寸選擇滿足要求。5.2.3液壓缸的選擇液壓系統(tǒng)，在本設計中采用液壓作為驅動系統(tǒng)，液壓源采用獨立的液壓站提供液壓動力，通過調節(jié)液壓的同步系統(tǒng)，使兩個液壓缸能夠同步工作，完成好液壓桿的伸縮。液壓缸選用雙作用式活塞式液壓缸，固定方式為缸筒固定，選材為鑄鋼，液壓的活塞桿要拉起車輛、承載板和托板，載荷相當大。要活塞桿成功拉起，因此在此設計桿的最大工作負載為Fw=G2=90510N。取穩(wěn)定安全系數(shù)nst=6，活塞桿長度l=1200mm根據(jù)公式：（式5.8）桿的臨界壓力由公式：（式5.9）式5.9中，E——鋼材的彈性模量，這里E=210paI——活塞桿截面的慣性矩（m4）；——活塞桿的長度(m)求得：又有：（式5.10）于是根據(jù)式5.10求得桿的直徑約為d=0.0526m，查表GB2348-80《活塞桿直徑系列》，取d=56mm。估算立體車庫液壓缸的工作壓力大7MPA，故查表《液壓缸工作壓力與活塞桿直徑》，得液壓缸推薦內徑為：（式5.11）所以：根據(jù)公式：（式5.12）式5.12中，p——液壓鋼的工作壓力（Pa）；F——工作循環(huán)中最大的外負載（N）；ηcm——液壓鋼的機械效率，這里取0.95于是求得液壓鋼的工作壓力為：根據(jù)缸底厚度的計算公式：（式5.13）式5.13中，Py——為試驗壓力，根據(jù)缸的工作壓力，這里取額定壓力Pn為20MPa，由于Pn>16MPa,所以Py=1.25Pn[σ]——為材料許用應力，為100MPa所以，缸底厚度為：缸筒壁厚δ用強度條件來算。設計選用無縫鋼管材料，一般取薄壁圓筒結構，即，則取δ為8mm液壓缸的導向長度滿足以下要求（式5.14）式5.14中，L——液壓缸的最大行程，這里取200mm；于是，活塞寬度取。為了減少加工難度，一般缸筒長度不超過內徑的20倍，這里取1000mm。5.2.4銷軸的設計銷軸的參數(shù)確定根據(jù)《銷軸國家標準新版-GB/T882-2008》表內容所示，先選取公稱直徑d=55mm的銷軸作為平行四邊形連桿與托架之間的連接軸，軸總長度為L1=280mm，選用45號鋼，其余的尺寸如：dk=72mm，d1=10，k=11，Lh=14，如圖5.3。再選取平行四邊形連桿與底座之間的銷軸，尺寸同上，軸總長度為L2=380mm。5.3銷軸液壓缸與平行四邊形連桿原動臂、底座之間的連接軸，選取公稱直徑為d=80mm的銷軸，軸總長度為280mm，選用45號鋼，其他尺寸如：dk=100mm，d1=13，k=13，Lh=16。銷軸的強度校核首先，先檢驗公稱直徑d=55mm的銷軸強度，：銷軸的抗彎強度驗算：（式5.15）式5.14中：M——銷軸承受對策最大彎矩；W——銷軸抗彎截面模數(shù)；［σw］——許用彎曲應力，對于45號鋼［σw］=360MPa銷軸的抗彎截面模數(shù)公式為：（式5.16）則根據(jù)式5.15與5.16：故材料及其銷軸尺寸選擇滿足要求。檢驗公稱直徑d=80mm的銷軸強度：根據(jù)式子5.15與5.16許用彎曲應力為：式中的A——彎矩距離，這里數(shù)值等于活塞桿長度故材料及其銷軸尺寸選擇滿足要求。5.3底座的設計5.3.1底座的選材與整體設計底座的設計和連接方式就如圖5.4所示，是整個車庫機構運行的基礎，材質選擇45號鋼。圖5.4底座結構設計5.3.2底座的校核當整個機構處于直立狀態(tài)的時候，是底座所承受的力最大的時候，連桿機構與底板的總的接觸面積為0.077平方米，給予底座的力為：F=G2=90510N45鋼的抗拉強度［σ］=610Mpa根據(jù)公式5.3底板上接觸面的擠壓應力為：<［σ］故材料及其底座尺寸選擇滿足要求6車庫仿真建模這里，我們運用CAIA進行此次設計的立體車庫仿真。主要模擬車庫在存取車庫的運行過程。模擬開始階段，如圖6.1所示，車庫初始狀態(tài)如下：圖6.1車庫初始狀態(tài)此次設計的立業(yè)車庫，主要是動力源來自于液壓缸，模擬開始，液壓缸開始工作，伸縮桿開始收縮，通過平行四邊形連桿的原動臂施力，帶著連桿機構向上轉動，連桿機構又帶著托架與載車板一起上升，在車板上升過程平穩(wěn)，板身不會發(fā)生傾斜，平穩(wěn)地到達最高點，運動過程中，液壓缸伸縮桿一直處于收縮狀態(tài)，達到最高的時候也是極限收縮的時候。如圖6..2所示，即為車庫完全上升后的狀態(tài)。圖6.2車庫直立存車完畢狀態(tài)7總結經(jīng)過此次對立體車庫的研究，讓我知道了很多關于車庫的知識，也了解到了之前所不知道的各種立體車庫現(xiàn)狀，認識到了立體車庫的美好前景，尤其對簡易升降類車庫。相信隨著現(xiàn)在就技術得不斷提升，簡易升降類立體車庫也會越來越多的種類，功能越來越齊全，也越來越智能化?！巴＼囯y”問題的存在，一直困擾著我們好久，即便現(xiàn)在有立體車庫的出現(xiàn)，其相關技術也逐漸在各個國家發(fā)展、成熟，但仍然在好多地方仍沒有普及，在此希望不管是簡易升降類立體車庫還是其他種類，立體車庫都應該被更加深入的研究，讓我們更快地解決停車難題。參考文獻［1］中國重型機械工業(yè)協(xié)會停車設備管理委員會.機械式立體停車庫［M］.北京：海洋出版社，2001［2］王沖.巷道堆垛式立體車庫研究［D］.西安：長安大學，2015.［3］寧云峰.簡易升降式立體停車設備的設計［D］.上海：東華大學，2017.［4］馬巖，武路鵬，吳哲.基于Ansys的數(shù)控立體倉庫升降車底座優(yōu)化［J］.包裝工程，2014，35（07）：81-85.［5］范紅紅，房華.簡易升降式立體車庫提升系統(tǒng)結構設計［］.起重運輸機械，2015（12）：34-36.［6］李文無避讓式立體車庫的設計及結構優(yōu)化D］.武漢：華中科技大學，2016.［7］王相峰.智能立體車庫控制系統(tǒng)的研究與設計D］.柳州：廣西科技大學，2015.［8］劉爽.PJSC型立體停車設備研究［D］.阜新：遼寧工程技術大學，2012.［9］呂二蒙.單體式無避讓立體車庫主體結構的可靠性設計研究［D］鄭州：河南工業(yè)大學，2016.［10］龔文.我國機械式停車設備行業(yè)標準體系［J］.機械工業(yè)標準化與質量，2014，（2）：15-8.［11］王清潔.框架式立體車庫控制系統(tǒng)實驗臺設計研究［D］鄭州：河南工業(yè)大學，2015.［12］林夫奎.機械式停車設備標準體系介紹及國內外標準主要技術內容對比［J］.起重運輸機械，2017（09）：60-65.［13］周前飛，丁樹慶，慶光蔚，胡靜波，倪大進，曹明.機械式立體車庫防誤入預警系統(tǒng)研究［J/OL］.機電工程技術，2018（12）：26-30［14］張海飛，李建國，王小農.單巷道自動化立體車庫庫位布局淺析［J/OL］.重慶交通大學學報（自然科學版）：1-7［15］莫玲，張旭波AGV搬運立體車庫控制系統(tǒng)設計［J/OL］輕工科技，2018（11）：49-53.［16］楊鵬程，張俊，明瑞軒，胡文龍，劉軒松，李威爾.雙層旋轉式停車庫的三維設計與仿真分析［J/OL］.輕工科技，2018（11）：68-70.［17］胡文龍，張俊，李威爾，劉軒松，明瑞軒，楊鵬程.懸浮式旋轉停車庫的設計［J］.機械研究與應用，2018，31（05）：91-93.［18］鄒智恒，楊瑩，鐘燕，向吳南，李林，基于變胞五桿機構雙層立體車庫設計［J］機械研究與應用，2018，31（06）111-112.［19］高杰.新型子母車式立體停車設備的結構設計與分析［D］.天津：天津職業(yè)技術師范大學，2015.［20］趙松年，佟杰新，盧秀春．現(xiàn)代設計方法［M］一匕京：機械工業(yè)出版社．2004．1［21］張維剛等．現(xiàn)代設計方法(英文版)［M］．北京：科學技術出版社．2005．1［22］覃文潔，程穎．現(xiàn)代設計方法概論［M］．北京：北京理工大學出版社．2007．4［23］檀潤華．創(chuàng)新設計一TⅪZ：發(fā)明問題解決理論［M］．北京：機械工業(yè)出版社．2002［24］趙新軍．技術創(chuàng)新理論(TRIZ)及應用［M］．北京：化學工業(yè)出版社，2004［25］WhatisTRIZ［EB／OL］．TRIZJoumal,httpJ／www．triz-journal．com．2006-12-1［26］AltshuUerG．S．Andsuddenlytheinventorappeared-TRIZ［M］．Worcester：TechnicalI衄ovmionCenter．1996：l～76［27］AltshuUerG．S．Theinnovationalgorithm［M］．Worcester：TechnicalIIlrIovmionCenter．1996：1～76 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Gtimes.Thesecouldnotbewell-behavedwithouttechnicaladvance.Thefiguresarealsoimprovedalonewiththetechnicaladvance.Forcommonproducts,suchaswasherorradio,theirfigureshavebeenchangedrevolutionarilywiththetechnicalimprovementtoo.Theirfiguresareneversinglestraightlines.Theirformsarealsograduallydiversified.Thedifferentfigureevolutionperiodofwasherandradio,inrecent20years,wasshownasFig.2andFig.3.Besidesthethreekindsofproductsmentionedabove,tenskindsofelectronicconsumingproductscontourhavebeenstudied.Thedetailswillnotbeintroducedinthispaper.2EvolutionPatternsandEvolutionPathsProductsfigureshastwoaspects,oneaspectisartisticthatbelongstopsychologycategory.Theotherisscientificthatchangescontinuouslywithtechnicalinnovation.So,technicalevolutionprincipleinTRIZtheoryisintroducedtodiscusstheevolutionpatternsandevolutionpathsoftheproductsfigures.Thensomeprinciplesshouldbefollowed,andsomepatternsshouldbeappliedmechanicallyintheproductsfiguresinnovationdesign.Thismethodisveryhelpfulfordesignerstofindthedesignthinkingofthenewgenerationsproductscontourassoonaspossible.2.1EvolutionPatternsofProductContourFromthefigureanalysisaboveall,similarpatternsandregularswhichexistedinthedevelopmentsandchangesofdifferentelectronicconsumingproductscouldbefound.Givenanexamplewithwasher,thestifflinesofwasherarereplacedgraduallybycurves.Increasingthedegreeofcurveofproductcontourhasbeenembodied.Theformsofwasheralsodevelopedfromsingletodiversitystepbystep,somewasherssuitedthemasses,andsomesuitedthechildrensuchasthewasherlikeeggorbellpeppershowninFig.2.Increasingthedegreeofdiversityofproductfigureshasbeenreflected.Atthesametime,thefiguresofwasherhavebeenalsodevelopedfromrigidmachinetoartisticworkwithcordialandsatisfyingthedemandofcustomer'svisualappreciation.Increasingthedegreeofhumanityandharmonyofproductfigurehasbeenadequatelyembodied.Thenthesevenevolutionpatternsofproductsfigureshavebeensummedup,showninFig.4.Pattern1:IncreasethedegreeofharmonyThisevolutionpatternisthemostbasicone.Boththeharmonyofproductitselfandtheharmonyofproductbetweenuserandenvironmentareimportantforproductfiguredevelopment.Pattern2:IncreasethedegreeofcurveThispatternindicatedthatstraightlinehasbeenchangedtocurve,planehasbeenchangedtocurvedsurface,andcubichasbeenchangedtocylinderandsoon.Pattern3:IncreasethedegreeofwholeItmeansthatmanydifferentpartsofproductfigurearecombinedtogetheroverallgradually.Pattern4:IncreasethedegreeofhumanityThebigbulkofproductscanachievetheirfunctionbyonlypassingthroughtheoperationofusers.Therefore,productsdesignmustfocusontheoperationandtheaestheticinterestofconsumer.Whenusingsomeproduct,ifitgoesbeyondthisscopethatthephysiologicalconditionofuserhimselfandthecontrolabilityforproduct,userwouldfeeluncomfortableorcouldnotreachtheuseefficiency.Forexample,whendesignedsomeelectronicconsumingproductswhichoperatedbyhands,thescopeandthemannerofoperationwithhandmustbeconsideredtoalleviateexhaustinghandasfaraspossible.Thentheoptimumeffectandpsychologicalfeelingscouldbegained.Allthesewouldbeembodiedinthispattern.Pattern5:Increasethedegreeofmulti-channelThemeansofthispatternwasthattheconceptandstyleofotherfields,suchascity,building,automobileanddressetc,w