桂 慧,秦鴻程,劉鑫月,凡 龍,姚嘉偉

(武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北 武漢 430048)

1 現(xiàn)有產(chǎn)品性能分析

截至2018年底,中國汽車保有量達(dá)到3.27億輛[1],機(jī)動(dòng)車的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過停車基礎(chǔ)設(shè)施的增長速度,停車難已經(jīng)成為城市的一個(gè)普遍現(xiàn)象。機(jī)械式立體車庫是解決城市靜態(tài)交通問題的重要途徑。通過市場調(diào)研可知,目前市場上的立體車庫主要有升降橫移類、垂直升降類、垂直循環(huán)類、水平循環(huán)類、多層循環(huán)類、平面移動(dòng)類、巷道堆垛類、簡易升降類8大類[2]。對(duì)現(xiàn)有立體車庫的市場調(diào)研可知,其產(chǎn)品特點(diǎn)如下:

1)升降橫移類采用模塊化設(shè)計(jì),規(guī)?？纱罂尚?配置靈活、構(gòu)造簡單、運(yùn)行平穩(wěn),應(yīng)用廣泛,但車輛升降橫移讓位需空出多個(gè)車位,空間利用率較低[3]。

2)垂直升降類、平面移動(dòng)類和巷道堆垛類立體車庫可存放較多車輛,但需要空出一整列空間用作存取車輛裝置的升降或橫移,空間利用率較低[4-5]。

3)垂直循環(huán)類、水平循環(huán)類及多層循環(huán)類占地面積小,存取車時(shí)間短,但存取車所需傳動(dòng)力大,能耗較大,傳動(dòng)穩(wěn)定性較差[6]。

4)簡易升降類結(jié)構(gòu)簡單緊湊,存取車快捷,但存車數(shù)量有限,地上型車庫需移出下方車位才能取出上方車輛。

2 魔方車庫設(shè)計(jì)思路

基于對(duì)市場現(xiàn)有立體車庫的性能分析,本文設(shè)計(jì)的魔方車庫從空間利用率、存取車時(shí)間、安全防護(hù)措施三方面解決現(xiàn)有車庫存在的問題,實(shí)現(xiàn)提高空間利用率、縮短存取車時(shí)間、保障車輛存取過程中的安全[7]等目標(biāo),為市場提供一種方便高效的停車庫,從而較好地解決小區(qū)、商場、酒店等停車難問題。魔方車庫三維造型設(shè)計(jì)如圖1所示。

魔方車庫與其他立體車庫最大的不同之處在于將魔方概念融入車庫設(shè)計(jì)之中,利用類似于九宮格游戲的方法[8],實(shí)現(xiàn)3×3×3的立體停車,其設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2 魔方車庫設(shè)計(jì)思路圖

3 魔方車庫功能分析與設(shè)計(jì)

根據(jù)市場調(diào)研分析結(jié)果,確定主要針對(duì)市面上中小型車輛設(shè)計(jì)魔方車庫相應(yīng)參數(shù)。對(duì)于3×3×3的車庫,其整體尺寸(長L×寬W×高H)為17 500 mm×8 000 mm×9 000 mm,停放車輛最大尺寸(長L車×寬W車×高H車)為5 300 mm×2 200 mm×2 100 mm,單個(gè)車位的最大承載質(zhì)量為2 200 kg。魔方車庫具有進(jìn)出、升降和平移換位三大主要功能,下面闡述其設(shè)計(jì)原理和功能實(shí)現(xiàn)。

3.1 進(jìn)出功能實(shí)現(xiàn)

本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款吊橋式車庫門,車輛進(jìn)出依托于該車庫門,車輛進(jìn)出及車庫門開閉兩功能僅用一個(gè)電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)。吊橋式車庫門由電機(jī)、鋼纜繩、滑輪組、底部可旋轉(zhuǎn)門板和配重輪等組成[9],其中推板與配重輪固接,推板與鋼纜繩末端連接,其原理圖如圖3所示。

1—升降電機(jī);2—鋼纜繩;3—滑輪組;4—配重輪;5—推板;6—門板

存車過程如圖4所示。裝置啟動(dòng)后,在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下鋼纜繩釋放,車庫門板打開至水平位置(圖4a),π形桿換位裝置將車庫內(nèi)的空置載車平臺(tái)移至門板上(圖4b),隨后繼續(xù)釋放鋼纜繩,門板一端與地面貼緊,形成大約10°的傾角(圖4c);汽車開上載車平臺(tái)停穩(wěn)后(圖4d),電機(jī)通過滑輪組將釋放的鋼纜繩收回,車庫門板轉(zhuǎn)至水平位置(圖4e),由于此時(shí)載車板與門板之間的摩擦力遠(yuǎn)小于汽車和載車平臺(tái)重力垂直方向的分力,繼續(xù)拉動(dòng)鋼纜繩,則會(huì)使鋼纜繩末端配重輪與推板沿門板滑移,推板同步推動(dòng)載車板滑動(dòng)進(jìn)入車庫(圖4f),隨后車庫內(nèi)π形桿裝置會(huì)隨載車平臺(tái)運(yùn)動(dòng)并阻礙載車平臺(tái)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),使其逐漸減速至停止。車輛進(jìn)入車庫后,電機(jī)帶動(dòng)鋼纜繩將其收回,直至吊橋式車庫門關(guān)閉。

圖4 存車時(shí)門的工作流程

取車時(shí),升降電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),通過滑輪組釋放鋼纜繩,吊橋式車庫門放下至門板一端與地面貼緊,隨后π形桿裝置將車庫內(nèi)裝有車輛的載車板推動(dòng)到門板上,此時(shí)同步釋放鋼纜繩,配重輪因自身重力沿門板緩慢移動(dòng),帶動(dòng)汽車及載車平臺(tái)移動(dòng)至車庫門近地端,完成上述操作后汽車即可駛離載車板。

3.2 升降功能的實(shí)現(xiàn)

為提高車庫上層空間利用率,采用三層結(jié)構(gòu),且上層空間可堆疊。魔方車庫有兩個(gè)獨(dú)立的升降通道,在確保一側(cè)正常使用的情況下,另一側(cè)可以輔助搬運(yùn)車輛,提高存取車效率。若一側(cè)損壞,另一側(cè)可繼續(xù)升降車輛,不影響車庫正常運(yùn)轉(zhuǎn)。兩個(gè)升降通道分別位于車庫正面的兩側(cè)(見圖1),每個(gè)升降通道里均裝有兩個(gè)聯(lián)動(dòng)的升降平臺(tái)。通過設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)自動(dòng)選取最近的出口,以減少移車和取車時(shí)間。魔方車庫第一層設(shè)有絲桿,通過控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)升降平臺(tái)上升或下降,如圖5所示,升降平臺(tái)沿絲桿兩側(cè)導(dǎo)柱上下進(jìn)行移動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)車輛在各層之間的靈活轉(zhuǎn)移。絲桿采用滾珠絲桿,利用其精度高、傳動(dòng)效率高、壽命長、可做到無背隙的優(yōu)點(diǎn),既可進(jìn)行平穩(wěn)升降,又可防止車在升降過程中墜落,造成不可估量的財(cái)產(chǎn)損失[10]。為保證平臺(tái)平穩(wěn)地上下運(yùn)動(dòng),通過控制絲桿的轉(zhuǎn)速使平臺(tái)升降速度為0.3～0.4 m/s,則車輛從駛?cè)胲噹斓教嵘降谌龑油＼囄凰钑r(shí)間為40～55 s。

1—電機(jī);2—升降平臺(tái);3—載車平臺(tái);4—絲桿;5—光軸

每套升降系統(tǒng)均可帶動(dòng)兩個(gè)升降平臺(tái)同時(shí)升降,在將第一層車搬運(yùn)到第二層的同時(shí),又可利用與其聯(lián)動(dòng)的升降平臺(tái),將第二層車移動(dòng)到第三層。

3.3 平移換位功能的實(shí)現(xiàn)

魔方車庫的動(dòng)力裝置位于每層的下方,其示意圖如圖6所示。換位功能主要依靠π形桿推動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn),由其推動(dòng)載車板沿橫、縱導(dǎo)向槽進(jìn)行車輛平移,其動(dòng)力部分主要由差動(dòng)輪系、電磁制動(dòng)器、錐齒輪和鏈輪鏈條組成。

1、4—電磁制動(dòng)器;2—步進(jìn)電機(jī);3—差速器;5—帶耳鏈條

步進(jìn)電機(jī)2輸出的動(dòng)力傳遞到差速器3,差速器3有兩個(gè)自由度,利用電磁制動(dòng)器1和4失電鎖死的特性,分別鎖緊不同的輸出軸,改變差速器的自由度,構(gòu)成變自由度的變胞機(jī)構(gòu)[11],以此來完成動(dòng)力的分配。差速器3未鎖的一端輸出動(dòng)力,通過錐齒輪、鏈輪鏈條5傳遞動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)了一個(gè)電機(jī)控制x、y兩個(gè)方向的平移換位。平移換位系統(tǒng)如圖7所示,鏈條部分帶耳板,π形桿推動(dòng)裝置與耳板相連,由鏈條帶動(dòng)裝置平移,舵機(jī)控制π形桿翻轉(zhuǎn),推動(dòng)載車板沿軌道移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)車輛的平移換位。如圖6所示,當(dāng)電磁制動(dòng)器1鎖死時(shí),動(dòng)力由右輸出桿輸出,通過錐齒輪、鏈輪鏈條帶動(dòng)π形桿推動(dòng)裝置移動(dòng),推動(dòng)載車板沿軌道移動(dòng)實(shí)現(xiàn)y方向的移動(dòng)換位。同理,電磁制動(dòng)器4鎖死時(shí),控制車輛x方向的移動(dòng)換位。

1—π形桿;2—升降平臺(tái);3—載車板;4—底板;5—舵機(jī);6—?jiǎng)恿ΡP

如圖8所示,載車底板均加工有橫、縱導(dǎo)向槽和定位凹孔,定位凹孔比橫、縱導(dǎo)向槽深1 cm,載車板底部安裝有萬向滾輪,在π形桿推動(dòng)下使其沿底板導(dǎo)向槽滾動(dòng),可精確將車輛運(yùn)輸?shù)街付ㄜ囄弧?/p>

1—橫、縱導(dǎo)向槽;2—定位凹孔

三層共空出4個(gè)車位以便于車輛進(jìn)出,這樣27個(gè)車位可以存放23輛車,空間利用率高達(dá)85.2%。每層移動(dòng)時(shí)僅空出一個(gè)車位,來實(shí)現(xiàn)同層8輛車的換位,圖9所示為單層的結(jié)構(gòu)布局圖。

3.4 π形桿校核

π形桿在推動(dòng)載車板平移時(shí),可將其簡化為懸臂梁,建立的力學(xué)模型如圖10所示。

圖10 π形桿受力及截面圖

載車板長度為5 m,設(shè)計(jì)π形桿長度l=4.4 m,其材料選用100×100×5.5×8熱軋T型鋼(GB/T 11263—2010),牌號(hào)為Q235B,屈服強(qiáng)度σs=235 MPa,彈性模量E=200 GPa。取安全因數(shù)ns=1.5。參照目前市面上大多數(shù)中小型車輛的質(zhì)量,設(shè)定載車板最大承載質(zhì)量為2 200 kg,考慮載車板與各結(jié)構(gòu)之間摩擦等影響因素,設(shè)計(jì)最大均布載荷q=115 N/m。π形桿受力分析方程為:

(1)

∑Fy=0,FA-ql=0

(2)

式中:MA(F)為各力對(duì)A點(diǎn)的矩,MA為A點(diǎn)的彎矩,Fy為沿y軸方向的力,FA為A點(diǎn)所受的力。

解方程得MA=1 113.2 N·m,FA=506 N。如圖10所示,A點(diǎn)處為懸臂梁固定端,此處彎矩最大,故危險(xiǎn)截面為A截面,計(jì)算其最大彎曲正應(yīng)力σmax:

(3)

式中:σA為A截面的應(yīng)力,ymax為截面點(diǎn)到中性軸的最大距離,Iz為截面對(duì)中心軸z的慣性矩。

(4)

式中:|ω|max為最大撓度,I為截面的慣性矩。

4 結(jié)束語

本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款新型立體停車設(shè)備,與市場已有產(chǎn)品相比,該立體停車設(shè)備具有以下特點(diǎn):

1)創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種吊橋式車庫門,僅用一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)車輛的進(jìn)出與門的開閉。

2)創(chuàng)新設(shè)計(jì)差動(dòng)輪系與電磁制動(dòng)器構(gòu)成變自由度的變胞機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)單電機(jī)雙動(dòng)力輸出的效果。將九宮格停車位與π形桿推動(dòng)裝置結(jié)合,單層僅空出一個(gè)車位來實(shí)現(xiàn)同層八輛車的任意移動(dòng)換位,并通過導(dǎo)向凹槽和定位凹孔實(shí)現(xiàn)載車板的平穩(wěn)移位和精準(zhǔn)定位。

3)具有較高的空間利用率(85.2%),并采用準(zhǔn)無人化操作模式,存車量大且方便快捷。

應(yīng)用本文闡述的技術(shù)方案,該立體停車設(shè)備可以從x、y、z三個(gè)方向進(jìn)行擴(kuò)展加層,實(shí)現(xiàn)n×n×n的車輛存儲(chǔ),以滿足不同程度的停車需求,為市場提供了一種較優(yōu)的停車庫方案,具有較好的市場推廣使用價(jià)值。

本文產(chǎn)品參加第八屆全國機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽,獲得一等獎(jiǎng)。