顏建強(qiáng)，劉朝陽(yáng)，陳思遠(yuǎn)，姜志豪，任志軍

基于多連桿的無(wú)避讓立體停車裝置設(shè)計(jì)

顏建強(qiáng)，劉朝陽(yáng)，陳思遠(yuǎn)，姜志豪，任志軍

（湖南師范大學(xué) 工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410081）

根據(jù)當(dāng)今中國(guó)社會(huì)私家汽車的數(shù)目越來(lái)越多，車位的數(shù)目相對(duì)汽車越來(lái)越少而立體車庫(kù)的技術(shù)仍處于發(fā)展階段的情況，在分析已有立體車庫(kù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款實(shí)用性強(qiáng)、拓展性好、停車效率高的多連桿無(wú)避讓雙層立體停車裝置。對(duì)該裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維建模，利用MATLAB軟件對(duì)多連桿進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算，并介紹了該停車裝置的運(yùn)動(dòng)原理與軌道設(shè)計(jì)原理。

多連桿；無(wú)避讓立體停車裝置；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；軌道設(shè)計(jì)

隨著中國(guó)汽車保有量的持續(xù)增加，停車位緊張、停車難等現(xiàn)象日漸成為社會(huì)問(wèn)題，為緩解這一現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)眾多公司及研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始研究設(shè)計(jì)與制造立體停車設(shè)備[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上立體停車方式主要分為升降橫移式、多層循環(huán)式、巷道堆垛式等，這些立體停車方式及設(shè)備雖然增加了停車位，但依然沒(méi)有普及應(yīng)用。究其原因，主要是因?yàn)楫?dāng)前立體車庫(kù)的建設(shè)工程較大、制造與維護(hù)成本較高、車輛存取時(shí)間較長(zhǎng)。因此，研究設(shè)計(jì)一種成本較低、結(jié)構(gòu)精巧、效率較高的無(wú)避讓停車裝置，具有顯著的市場(chǎng)價(jià)值與社會(huì)效益。

1 整體設(shè)計(jì)思路

該立體停車裝置整體設(shè)計(jì)為兩層式，且能夠直接應(yīng)用于現(xiàn)有的地面停車位，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的較高兼容性，使其投入市場(chǎng)較為容易。立體停車裝置能實(shí)現(xiàn)平移（或旋轉(zhuǎn)）和升降兩個(gè)動(dòng)作合一，使上層車位的運(yùn)動(dòng)軌跡為弧線型，既實(shí)現(xiàn)了無(wú)避讓停車，也大大縮短了停車時(shí)間。為實(shí)現(xiàn)上層車板的弧形運(yùn)動(dòng)軌跡，鏈條導(dǎo)軌和空間連桿機(jī)構(gòu)配合工作，鏈條聯(lián)接停車裝置動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)上層載車板在空間連桿作用下實(shí)現(xiàn)平移和升降，導(dǎo)軌固定上層車位的運(yùn)動(dòng)軌跡，多連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)必須保持上層車位在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終處于水平狀態(tài)。為了進(jìn)一步提高車輛存取效率，在該停車裝置上增加了旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，使車輛停放更為方便，預(yù)計(jì)存車、取車時(shí)間分別不超過(guò)1 min。

產(chǎn)品的三維效果如圖1所示。

圖1 無(wú)避讓立體停車裝置三維效果圖

2 立體停車裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 升降裝置設(shè)計(jì)

該立體停車裝置的升降裝置主要分為連桿部分和導(dǎo)軌部分。導(dǎo)軌部分的主要作用為為上層載車板的弧線運(yùn)動(dòng)提供支撐與導(dǎo)引，使其停放過(guò)程不會(huì)影響下層車位，通過(guò)研究比較發(fā)現(xiàn)，采用鏈條鏈輪傳動(dòng)的承載能力較大，從而提高了車庫(kù)的安全系數(shù)，傳動(dòng)精度較高，且維護(hù)成本較低，是最為適合的傳動(dòng)方式[3]。

連桿部分應(yīng)用多連桿機(jī)構(gòu)，使上層載車板在升降過(guò)程中能夠始終保持水平狀態(tài)，也能夠在升降過(guò)程中對(duì)上層載車板起到分力作用，此功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠連桿的長(zhǎng)度配合和空間限位，形式仿造人類手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用七連桿機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，各連桿的長(zhǎng)度和限位的角度可通過(guò)數(shù)學(xué)建模分析解得。因上層載車板的理想運(yùn)動(dòng)軌跡已知，可知在某一時(shí)刻載車板上點(diǎn)的位置，將載車板上與連桿的固定點(diǎn)和主支撐桿與水平面的夾角離散，得出在載車板運(yùn)動(dòng)?時(shí)，點(diǎn)的具體位置和連桿主支撐桿的角度，再將其一一對(duì)應(yīng)，將各連桿長(zhǎng)度和連桿與水平角度的夾角作為設(shè)計(jì)變量，對(duì)其構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，將桿長(zhǎng)約束和角度約束作為目標(biāo)函數(shù)的絕對(duì)約束和目標(biāo)約束，利用MATLAB進(jìn)行模型求解[4]，具體求解過(guò)程如下。

圖2 立體停車裝置多連桿結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)圖2所示直角坐標(biāo)系，以∠HGF的角度變化作為分段條件，將點(diǎn)F在載車板運(yùn)動(dòng)過(guò)程中分為四個(gè)部分：∠HGF=110°，110°＜∠HGF<177°，177°＜∠HGF<185°，∠HGF=185°，同時(shí)將AC，∠O′AF理想對(duì)應(yīng)角度一一對(duì)應(yīng)，求解點(diǎn)F的縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)的關(guān)系式如表1所示。

表1 點(diǎn)F坐標(biāo)關(guān)系表

∠HGFfn（x）x范圍αAC∠O′AF 110°f1（x）750≤x≤1 310－UG75°120° 110°～177°f2（x）1 310－UG≤x≤1 420－UG70°90° 177°～185°f3（x）－UG≤x≤1 353－UG60°60° 185°f4（x）1 494－UG≤x≤1 553－UG30°30° 185°f5（x）1 553－UG≤x≤1 6560°0°

n（）的表達(dá)式如下：

由MATLAB編程獲得載車板理想軌跡圖，如圖3所示。

求得=101.7 mm，取整得100 mm。

將已知的理想軌跡離散為10個(gè)不同位置，各個(gè)離散位置如圖4、表2所示。

建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，確定設(shè)計(jì)變量為：=[1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11]T=[GF，AC，CD，DE，EF，AC，CD，DE，EF，GH，∠O′AF]T。

根據(jù)設(shè)計(jì)變量和所求目標(biāo)構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)如下：

xi=AF×cosAF=AF×cos11

yi=AF×sinAF=AF×sin11

AF=1×（sin6+sin11－180°）+2×（sin7+sin11－180°）+

3×（sin8+sin11－180°）+4×（sin9+sin11－180°）+5×

（sin10+ sin11－180°）

sin11=120°+?AFi

sin6=75°+?AFi

此目標(biāo)函數(shù)為求出點(diǎn)在規(guī)定軌跡下，坐標(biāo)浮動(dòng)最小的全局最優(yōu)解，以桿長(zhǎng)條件和角度條件作為該目標(biāo)函數(shù)的約束條件，使用MATLAB進(jìn)行求解，并對(duì)相關(guān)條件進(jìn)行約束[5]。

桿長(zhǎng)約束：

角度約束：

利用MATLAB中非線性約束優(yōu)化函數(shù)fmincom進(jìn)行求解，獲得結(jié)果。

2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是為了使載車板下放后旋轉(zhuǎn)車輛能直接開(kāi)上載車板設(shè)計(jì)的。上層車位載車板結(jié)構(gòu)如圖5所示。旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)方式利用履帶和帶輪傳動(dòng)，大帶輪和小帶輪利用履帶進(jìn)行傳動(dòng)工作，可靠，效率較高，成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，空間利用率高，還有過(guò)載保護(hù)的作用[5-6]。載車板的坡度設(shè)計(jì)使車輛停放更為平穩(wěn)，不易側(cè)滑。拉線塊與引車板通過(guò)鋼絲線連接，因?yàn)殇摻z線的長(zhǎng)度一定，在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，鋼絲線因處于繃緊狀態(tài)，使引車板可進(jìn)行一定角度的上拉和下放，防止車輛停放時(shí)出現(xiàn)滑落而造成的一系列危險(xiǎn)。

圖4 上層停車位載車板理想軌跡離散圖

表2 理想軌跡離散數(shù)據(jù)表

離散點(diǎn)SxiSyi?αACi∠O′AFi 175043200 2850432﹣15﹣25 3950432﹣30﹣40 41 050432﹣40﹣60 51 150432﹣50﹣70 61 250425.078 1﹣55﹣80 71 350389﹣60﹣90 81 450378.154 6﹣65﹣100 91 550211.41﹣70﹣110 101 65063.337 74﹣75﹣120

3 結(jié)論

相對(duì)而言，基于多連桿的無(wú)避讓停車裝置的性能與結(jié)構(gòu)上有如下特點(diǎn)：兼容性好，可適用于大部分現(xiàn)有停車位的改建，既可單獨(dú)安裝，又可成規(guī)模安裝，上層停車位載車板旋轉(zhuǎn)裝置實(shí)現(xiàn)順時(shí)針、逆時(shí)針兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，車輛存、取更便捷；通過(guò)導(dǎo)軌和多連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使上層車位的停車平穩(wěn)可靠且具有較高的安全性，連桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)使得車輛的存取時(shí)間較短，效率較高；引車板的拉線設(shè)計(jì)節(jié)省了一個(gè)動(dòng)力源電機(jī)，節(jié)約成本。同時(shí)，車輛在上層車位停放時(shí)引車板的上翹使得車輛不容易因?yàn)橐恍┩话l(fā)原因滑落而造成傷害，進(jìn)一步提高了車輛存取時(shí)的安全系數(shù)。

圖5 上層車位載車板結(jié)構(gòu)圖

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U491.71

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.004

2095－6835（2020）13－0008－03

顏建強(qiáng)（1979—），男，碩士，工程師，實(shí)驗(yàn)室主任，研究方向?yàn)閿?shù)字化制造。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕