产品介绍

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  近年来,随着我们国家国民经济的持续、加快速度进行发展,大城市机动车辆拥有量呈现爆发式增长,导致了慢慢的变多的大中城市、小区出现停车难的问题[1、2]。主要体现为车辆的乱停乱放，占用消防通道等。要改善这一问题就要将违规停放的车辆移开原本的位置，而驾驶员停放车辆后总是将方向盘锁住，主动轮处于刹车状态，无级变速的车辆在停车后更不能随意拖动。为了节省本金，物业管理部门通常会采用短距离手动移车器。由于汽车车身质量较大，小区使用的短距离移车器在将车辆支起后通常要用三到四人配合才能将车辆移走，比较浪费人力。如何减轻人的工作所承受的压力一直是机械设计人员研究的一个重要的方向。因此设计一款在移车过程中能轻松实现省力要求的移车器是非常必要的。

  短距离手动移车器是在将车辆抬起后在不借助外力的情况下将车辆移走的工具。短距离移车器的发展主要经过了四个阶段，分别是托盘式移车器、液压式移车器、机械式移车器以及杠杆式移车器。托盘式移车器和杠杆式移车器在支起车辆的过程中都需要借助液压元器件。托盘式移车器是由一块凹型铁板上安装四个万向脚轮组成的使用时需要四个同样的托盘，这种移车器的不足之处是：在将车辆支起或放下时，都需要先用千斤顶将车辆抬起。在移动车辆时，需要多人配合才能完成作业。并且液压千斤顶顶升车辆时所选位置要精确，否则容易破坏车辆底盘且时刻需要携带液压千斤顶，操作步骤较为麻烦。

  液压式移车器是通过液压泵使滚筒转动到轮胎底部支起车辆的。由于液压泵的最大载荷有限，所以在支起中大型车辆时，会因为过载而使液压元器件遭到破坏，由此产生漏油的现象。并且液压元器件在其要求的工作所承受的压力与温度的范围内，对其密封性有着极高的要求，尽管随着材料和加工技术的提高使得液压元器件的密封性和强度得到很大的提高，但还是无法在根本上解决液压元器件的液压油的泄露问题[3]。

  机械式移车器与杠杆式移车器在支起车辆时不再借助液压元器件，其结构相对简单且便于携带，而且其价格相对合理，因此在生活中应用较为广泛。

  在此基础上还出现了折叠式移车器和叉车式移车器。何全文在2017年利用SolidWorks设计出了折叠式移车器。折叠式移车器是在机械式移车器的基础上增加了卡轴式折叠器，使得移车器能轻松实现折叠功能，使其更加便于携带[4]。叉车式移车器是利用搬运叉车与横向主叉组合成主车，并配合两个辅车抬升起车轮。搬运叉车可使用电动式或手动式，辅车可以配杠杆式万向移车器或杠杆式定向移车器，以及液压式移车器或机械式移车器。其组合的方式比较灵活多样，可根据真实的情况自由组合且其在移动车辆时更容易控制方向。

  由于小区与办公区域。停放的多为中小型轿车，故在实际生活中机械式移车器和杠杆式移车器被大范围的应用。本章就这两种移车器进行分析。

  该移车器是通过机械齿条的移动收缩，使滚筒转动到轮胎底部支起车轮。机械齿条移动收缩器有两种结构及形式，一种是锯齿式齿条，一种是孔式齿条。齿条传动啮合产生的接触应力和由于刚度激励引发的振动是影响齿轮传动机构动力性能和常规使用的寿命的主要的因素[5]。这两种机械齿条移动收缩器相比液压式移车器支起重量都略小，当在工作中遇到质量较大的车辆时，会出现无法支起的现象。

  该类移车器是利用杠杆原理，通过撬杠撬动移车器的撬柄支起车轮。从杠杆原理的基础理念出发，采用纯机械的设计思路，杜绝了对油压或电气的依赖[6]。虽然在支起车轮时只需要用很小的力。但在移动车辆时依然需要大量的人力才能完成作业。

  （2）提出移车器的总体结构方案，包括整体的造型设计、关键零部件的设计及优化方案；

  （3）对移车器的主要零部件进行选材、受力分析、校核计算，包括万向轮、整体的支撑结构、支起结构等；

  （2）完成对移车器结构的优化，包括对万向轮、支起结构、移车器框架的设计，使移车器整体体积合适，质量适中且具有一定的承载能力；

  在设计和研究的过程中，对研究对象进行受力分析是必不可少的。对研究对象进行受力分析不但可以清晰地了解研究对象的受力情况，从而找到其应力集中的区域，而且还可以推测其运动轨迹，了解其运动特性。对研究对象的受力分析可大致分为对研究对象的每个部分的受力分析以及对研究对象整体的受力分析。本章将从移车器的万向轮、移车器的滚筒以及移车器的整体三个方面做受力分析。

  移车器的万向轮不仅要承担来自车辆的的压力，还要承担移车器自身的重力。在其工作时除了要承受重力不被压溃的同时，还要保证其转向的灵敏性，使其能完成基本的移动和转向功能。因此，对移车器的万向轮进行受力分析是设计移车器时必不可少的环节。

  首先分析移车器在将车辆支起后的静止的状态。如果将移车器的万向轮看做一个整体来分析，那么组成移车万向轮的各部分之间的作用力属于物系内部的内力，它们成对存在，相互抵消，不必做多元化的分析[7]。因此在这种状态下移车器的万向轮受到来自车辆和移车器本身质量产生的压力P以及地面对移车器万向轮的支持力Fn（如图2-1）。

  然后再分析移器在将车辆支起后移车的过程。同样的，将移车器的万向轮看做一个整体来分析，那么组成移车器万向轮的每个部分之间的作用力属于物系内部的内力，它们成对存在，互相抵消，不必做多元化的分析。即在移车的过程中移车器的万向轮受到来自车辆和移车器本身的质量所产生的的压力P1和地面对移车器万向轮的支持力Fn1，此外，移车器万向轮还受到来自移车器操作者所施加的推力Ft以及地面对移车器万向轮的滚动摩擦力Ff1（如图2-2）。

  根据对移车器在移车过程中与静止时的不一样的情况下的受力分析可知，在这两种情况下，移车器的万向轮都受到很大的压力，因此为保证移车器的万向轮的常规使用的寿命，在使用的过程中，不可以使用移车器移动大型车辆，以避免使万向轮被压溃。并且在移车的过程中应选择干净、平整的道路，以减小对移车器万向轮的磨损并避免杂物卷入万向轮使万向轮的灵活性降低。

  移车器的滚筒作为直接与车辆轮胎接触的部分，是除移车器的万向轮之外受到压力最大，最容易产生疲劳破坏的部件之一。因此在设计移车器的过程中对移车器的滚筒进行受力分析也是必不可少的。

  将移车器的滚筒看做一个整体，对其在将车辆轮胎支起后的状态进行受力分析。对于滚筒内部构件之间的内力，由于它们能互相抵消，此处不做分析。除此之外，移车器的滚筒受到来自车辆本身质量所产生的的压力P2以及移车器的支撑臂所产生的支持力Fn2（如图2-3）。

  移车器是用来将车主不规范停放的车辆移走的工具。车主停车后通常会把方向盘锁住，主动轮处于刹车状态，在驾驶员不在场的情况下，只有利用移车器将车辆抬起并将车辆移走。由于移车器整体都要承受来自车辆的压力，因此移车器本身就要求有较高的强度。所以要对移车器整体进行受力分析与运动分析。

  其中各部分之间的内力就可以相互抵消，不用分析。在移车器将车辆支起后的静止状态时，移车器受到来自车辆的压力P3和来自地面的支持力Fn3（如图2-4）。

  在移车器将车辆支起后并移动的过程中，对其各部分之间的内力不做分析，移车器除了要受到来自车辆的压力P4与来自地面的支持力Fn4外，还要受到操作者施加的推力Ft2和来自地面的滚动摩擦力Ff2（如图2-5）。

  纵观手动移车器的发展过程，显而易见，对于手动移车器的研究，人们更看重的是对其抬升车轮的方式的改进以及对其结构的简化，并没有对移车器在移动车辆的过程中能否更加省力进行研究。所以，设计一款在移动车辆的过程中能轻松实现省力的目的的移车器是非常必要的。

  以目前市场上应用比较广泛的家用轿车为例，经查阅资料与调研可知：汽车自身质量约为900~2000kg，车轮直径约为40~80cm,车轮宽度约为15~35cm.[8]。

  移车器的支起构是移车器可以在一定程度上完成其移车功能的重要部分。它的主要的作用是将车辆抬起，因此对其有着极高的强度要求。并且移车器的支起结构的质量是除移车器框架的质量之外移车器总质量的大多数来自。其材料的选择尤为重要。

  目前，市场上和生活中应用比较广泛的是机械式移车器与杠杆式移车器。以上我们已分析、对比过两种移车器的工作原理与特点。两种移车器的结构都较为简单，且便于携带。机式移车器和杠杆式移车器在支起车辆时都不需要借助外力的作用，由于杠杆式移车器利用的是杠杆原理，只要其动力臂足够长并且移车器的强度足够大就可以支起较大的质量的车辆。而机械式移车器支起质量较小，会出现遇到大型车辆时无法支起的现象。由于杠杆式移车器在支起车辆时则要使用到撬杠，因此在携带时会相对麻烦。并且本次设计主要使用在在小区和办公区域，停放的车辆通常为家用轿车，质量一般比较小。综上所述，本次移车器的支起结构选用机械式移车器所采用的机械齿条移动收缩器。

  滚筒是移车器支起结构中与轮胎接触的部分，其基础要求是具有一定的摩擦力并具有一定的强度，由上已知，车轮的宽度约为15~35cm,为了能够更好的保证滚筒与车轮充分接触且当车轮发生横向移动时与滚筒有足够的接触长度，应使滚筒的长度略大于车轮的宽度。以车轮宽度的中心为基准，在其两侧使滚筒的长度比车轮宽度各长5cm。故滚筒的长度应为45cm。滚筒的外径D设置为6cm，内径d设置为4cm。

  车轮的直径约为40~80cm，为了能够更好的保证移车器两滚筒能够与车轮充分接触并顺利将车辆支起，两滚筒之间的最小距离应小于车轮的直径。此处将两滚筒的最小距离设置为20cm，为便于使移车器放置于车轮下并且在使移车器的两滚筒易于夹紧车辆的轮胎，两滚筒的最大距离应小于车轮的直径。且依据市场已有移车器的规格，将移车器两滚筒的最大距离设置为60cm。

  根据滚筒的受力特点，它要受到汽车轮胎所给的压力，还要受到移车器框架的支持力。市场上存在一些塑料滚筒或聚氨酯滚筒，在使用的过程中易发生破裂。因此为保证其常规使用的寿命，故选择45钢制作滚筒，为防止其被氧化腐蚀，在45钢滚筒的表明上进行喷塑处理。

  当使用移车器将车辆抬起后，移车器与车辆均处于稳定的静止状态时，我们将移车器的滚筒假设成为一个静止的梁进行其刚度校核。由于滚筒的质量相对于其所受的载荷可忽略不计，因此忽略滚筒自身重量产生的挠度。由于单个移车器需要承受的最大质量是500kg，且每个移车器上有两个滚筒，每个滚筒承受的最大载荷Fn2为250kg。滚筒的长度l为45cm=0.45m。已知梁的许用挠度[δ]=l/500=0.45/500=0.0009m=0.9mm。45钢的弹性模量E=200Gpa。根据公式

  计算滚筒的横截面的惯性矩。其中，I为滚筒横截面的惯性矩，D为滚筒的外径，d为滚筒的内径。则由公式3-1计算可得，滚筒横截面的惯性矩

  计算由载荷Fn2引起的挠度。│W│为滚筒的挠度，Fn2为单个滚筒所受的最大载荷，l为滚筒的长度，E为4钢的弹性模量，I为滚筒横截面的惯性矩。则由公式3-3计算可得，滚筒的挠度

  其中，│W│max为构件的最大挠度，[δ]为构件的许用挠度。根据公式3-5可得

  因为安装滚筒的支撑臂的两端都装有平顶万向轮，故不考虑滚筒产生转角的影响。故移车器滚筒的刚度符合标准要求[9]。

  移车器的万向轮是移车器在移动过程中的重要部分，它不仅要具有较高的强度来承担汽车本身的质量，还要有光滑的表面来减小在移动过程中的摩擦阻力还可以灵活的转换方向。因此万向轮的移动的平稳性与转向的灵活性是是两个最主要的评价指标[10]。

  现有移车器的万向轮一般会用大小，材料相同的组合方式，这样的组合方式会增加移车器在移动过程中的稳定性，但无法改变其重力的方向，实现在移动车辆时达到省力的目的。所以本次设计采用两组万向轮大小不同的移车器组合（车辆前轮胎的移车器的万向轮采用较小的尺寸，车辆后轮胎的万向轮采用较大的尺寸。），以实现将车辆的重力分解的目的。

  根据万向轮的受力特点，其主要受到来自车辆对其的压力以及地面对其的支撑力。对移车器万向轮的选择有两种方案，分别是以铸铁制造万向轮和由易得力公司制作的TUP万向轮，下面就这两种方案进行分析。

  铸铁的含碳量比较高，其性能比较脆，抗拉性能比较差。但其铸造性能比较好，能够使用铸造的方法加工出形状相对复杂的零件。铸铁作为一种金属材料，不仅有着较高的强度，而且还具有极高的抗压能力，减磨性及耐磨性很高，优异的消振性以及极低的缺口敏感性[11]。虽然铸铁具有极高的抗压能力。但是由于本次设计的使用在车辆后轮胎的移车器的万向轮尺寸较大。故若使用铸铁作为移车器万向轮的材料会使移车器的总体质量较大，不便于携带。

  TUP是Thermoplastic Urethane的简称，中文名称为热塑性聚氨酯弹性体。是由二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）或甲苯二异氰酸酯（TDI）等二异氰酸酯类分子和大分子多元醇、低分子多元醇（扩链剂）共同反应聚合而成的高分子材料。TPU具有卓越的高张力、高拉力、强韧和耐老化的特性，TPU材料耐寒性突出、耐油、耐水、耐霉菌，是一种成熟的环保材料[12、13]。并且TPU材料制作的万向轮相对于铸铁制造的万向轮更加轻便，因此选择易得力公司制造的TPU万向轮。

  易得力公司制造的脚轮有四种类型，分别是定向脚轮、平顶万向脚轮、丝扣万向脚轮以及插杆万向脚轮。由于平顶万向脚轮易于装卸且强度适宜，因此选择平顶万向脚轮。在选择脚轮时，首先是根据移车器需要承载的重量计算出每个脚轮需要承受的载荷，然后根据单个万向脚轮所需要的承受的载荷对万向脚轮的尺寸型号进行确定。

  来计算单个万向脚轮所需承载的重量，其中T=单个脚轮所需承载的重量，E=运输备的自重，Z=最大载荷，M=所用脚轮的数量，N=安全系数（约为1.3~1.5）。因为用轿车的质量约为900~2000kg，故单个移车器的最大载重量约为500kg，移车器的自重约为20kg，因为3点确定一个平面，当所用脚轮数量为4个时，载重量应按3个计算。则由

  根据表3-1可知，由于移车器单个万向轮所需承受的最大载荷为225.3333kg，所以所选万向脚轮的最大承载能力应大于225.3333kg。即应选择易得力公司制造的精密中型平顶万向轮（承载能力为170~250kg）。

  根据表3-2可知，由于采用车辆前轮胎与车辆后轮胎所使用的移车器的万向轮的尺寸大小不同的原则，故使用在车辆前轮胎的移车器选用易得力公司制造的4的精密中型平顶万向轮，使用在车辆后轮胎的移车器选用易得力公司制造的6的精密中型平顶万向轮。

  在选用移车器万向轮时，我们第一步根据单个移车器万向轮所需承受的最大载荷对移车器万向轮的型号进行选择，所以此处对移车器万向轮不做强度校核。

  移车器作为能够将车辆移走的工具，本身就要受到来自车辆的很大的压力。因此，除了对移车器的支起结构、万向轮等主要零部件有较高的强度要求之外，还对移车器的别的部分有着非常高的强度要求。

  对于移车器的框架，选用45钢作为材料，因为45钢是优质碳素结构钢[14]，其硬度不高且易于切削加工。但是，这是一种中碳钢，淬火性能并不好，可以对其进行调质处理，提高其机械性能。为避免发生氧化腐蚀现象并提高其常规使用的寿命，可在其表明上进行喷漆处理。

  本次设计的手动移车器四个为一套，车辆的每个轮胎各使用一个，其中使用在车辆前轮胎的两个移车器的万向轮较小，使用在车辆后轮胎的两个移车器的万向轮较大。

  根据移车器两滚筒的间的最大距离为600mm,且移车器的滚筒直接装在移车器前后两支撑臂上，这样既能节约材料，又节约了空间。所以移车器的总长度为两滚筒的最大距离+滚筒的直径×2=660mm。且移车器的滚筒的长度为450mm，即移车器的总宽度为滚筒的长度+齿条的宽度+平顶万向轮的宽度×2=563mm。由于使用在车辆前轮胎与后轮胎的移车器的万向轮的尺寸不同，故两组移车器的高度也不同。使用在车辆前轮胎的移车器的高度为平顶高度+支撑臂的厚度=139mm。使用在车辆后轮胎的移车器的高度为平顶高度+支撑臂的厚度=192mm。故两组移车器的尺寸分别是660×563×139mm、660×563×192mm。

  将齿条收缩器与踏板相连，以此来驱动齿条收缩器使车辆被抬升，在齿条收缩器上装有自锁块，使得在将车辆在被抬升至指定位置时不会因其自重而下落[15]。

  对于移车器各部分的联接方式，两支撑臂与齿条收缩器的联接为焊接，万向轮与两条支撑臂的联接方式为螺栓连接，其余部分无特别的条件的均为螺栓联接。

  移车器的整体结构如图3-1所示，移车器的滚筒直接装在移车器的支撑臂上，这样的装配方式即节约了材料与空间，又能够尽可能的防止应力集中的发生，提高了移车器的使用寿命。

  移车器在使用的过程中，应先用力拉开移车器，将移车器从汽车轮胎外侧推进，使轮胎放置于滚筒的中间位置，踏动踏板使齿条移动收缩并逐步挤压两滚筒间的汽车轮胎，使滚筒之间距离缩短从而挤抬车轮离开地面，四个车轮抬离地面后，即可推动车辆到达指定地点。

  在移车器移车的过程中，由于应用在车辆前轮的移车器的万向轮与应用在车辆后轮的移车器的万向轮的直径的大小不同（应用在车辆前轮移车器的万向轮的直径小，应用在车辆后轮移车器的万向轮的直径大），因此，在使用移车器移动车辆的过程中，车辆会因为移车器万向轮的直径不同产生一定的坡度。由于坡度的存在，使得车辆的重心发生改变，以此来达到在移车过程中省力的目的。但坡度的存在同样会使移车器在移车的过程中运动的稳定性降低，因此在使用移车器的过程中，只能在平整的路面使用，不能再崎岖不平的路面或上、下坡时使用，也不可以使用在两辆汽车之间的互相牵引。

  在移车器的使用的过程中，还应注意其主要的失效形式，做到提前防护，延长移车器的常规使用的寿命。根据以上所述，移车器的主要失效形式有：

  在移车器的使用的过程中，万向轮的磨损是不可避免的，但在不平整，摩擦阻力大的地面上使用移车器移动车辆，会加剧万向轮的磨损，降低其常规使用的寿命，因此应在平整的路面使用移车器。

  移车器的万向轮承担着移车器的移动和转向功能，其移动和转向的灵敏性很重要，在移车器的使用的过程中，如果使其万向轮中卷入杂物，则会使万向轮不能转动或不能转向，降低其运动的灵敏性，导致移车器没办法实现其运动功能，因此应在干净整洁的路面使用移车器作业。

  由于制作滚筒的材料的强度有限，因此在移车器的使用的过程中遇到质量较大的车辆时，可能会使滚筒因过载而产生过量的、没办法恢复的变形，进而影响移车器的正常使用，为避免这种情况出现，应避免抬升质量过大的车辆，在移车器允许的载荷范围内作业。

  由于移车器的整体框架均由金属材料制造成，且金属材料的氧化腐蚀是不可避免的，因此通常会在移车器的表明上进行喷漆处理。在移车器的使用的过程中，应减少对移车器的磕碰，防止其表面漆层的脱落。应在干燥的环境中使用和存放移车器，以减缓其氧化腐蚀的速度，延长其使用寿命。

  在使用移车器移动车辆的过程中，移车器与车辆的轮胎之间是相对静止的，我们将移车器的轮胎与移车器简化为一个整体。由于物体系内部的相互作用力为内力，它们成对存在、相互抵消，因此被简化后的模型（如图4-1）可以看做是车辆的前轮胎与后轮胎尺寸不同。因此设计了以下实验来验证本次设计能否在移车时实现省力的目的。

  实验器材：1段长15cm，宽7.5cm，高4cm的烤漆龙骨、2段直径相同，长为12cm的铁丝、20根规格相同的原长5.5cm的橡皮筋、4个直径为3cm的材料相同的瓶盖、2个直径为4cm的材料相同的瓶盖、质量为2.5kg的重物、刻度尺、羊角锤、直排钢钉等。

  实验过程：首先利用羊角锤与直排钢钉分别在6个瓶盖的中心位置打孔，然后在烤漆龙骨的两侧面靠近底部边缘位置打两个对称的孔（要求：位于两侧的孔两两重合）。将2段铁丝作为轴分别穿过两组孔，先将4个直径为3cm的瓶盖分别装在两段铁丝的两端（使瓶盖能够自由转动）。将重物放在组装好的烤漆龙骨上，将橡皮筋的一端系在烤漆龙骨上，在平整的地面上用橡皮筋拉载有重物的烤漆龙骨，在其即将移动时记录橡皮筋的长度，测量10组数据（每次测量之后换用新的橡皮筋进行下次测量）。然后将龙骨后端的两个瓶盖拆下，换上直径为4cm的瓶盖重复上述步骤，测量10组数据记录。

  实验结果：对两组数据分别求平均值可知，当用四个直径为3cm的瓶盖时，橡皮筋的平均长度为21.32cm，当后端改用直径为4cm的瓶盖时，橡皮筋的平均长度为21.23cm。

  实验结论：通过对两组实验数据的对比可知，本次设计的移车器在移车过程中与现有移车器用力情况几乎相同，差距很小，考虑到系统误差的影响，即本次设计在移车过程中不会实现省力的要求。通过改变重心的位置使物体的重心与运输工具的轮轴线在同一铅垂面内时，才能比较省力，本次设计虽然通过改变应用在车辆前后轮胎的移车器万向轮的尺寸来改变车辆重心的位置，但因移车器万向轮不能无限扩大其尺寸，故不能够达到在移车过程中省力的目的。与现有移车器相比较，本次设计会增加其在转向过程中的灵活性，但也会降低在移车过程中的稳定性。