王春霖 王西珍 宋逸杰 吳蘊(yùn)航 楊曉卓

摘 要：基于城市中私人自行車(chē)和共享單車(chē)數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)、城市中可利用的土地面積急劇減少以及亂停亂放等現(xiàn)象，提出了一種地下圓塔型自行車(chē)自動(dòng)存取立體車(chē)庫(kù)設(shè)計(jì)方案，該立體車(chē)庫(kù)核心結(jié)構(gòu)包括升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及抓取機(jī)構(gòu)等。利用SolidWorks軟件構(gòu)建單車(chē)車(chē)庫(kù)總體結(jié)構(gòu)及各結(jié)構(gòu)三維模型，完成單車(chē)車(chē)庫(kù)總體方案、主要運(yùn)動(dòng)部件的設(shè)計(jì)和自行車(chē)存取過(guò)程的運(yùn)動(dòng)仿真。利用Simulation對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)仿真，獲得載車(chē)架、升降頂蓋及轉(zhuǎn)盤(pán)的應(yīng)力云圖，結(jié)果表明，各部件最大應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度。運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果表明，機(jī)械抓手、轉(zhuǎn)盤(pán)滑塊機(jī)構(gòu)及升降機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程滿(mǎn)足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：共享單車(chē)車(chē)庫(kù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；三維建模；仿真分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）10-0036-05

0? ? 引言

隨著國(guó)內(nèi)共享單車(chē)投放量持續(xù)增長(zhǎng)，多數(shù)城市自行車(chē)公共停放場(chǎng)所越來(lái)越不足，自行車(chē)專(zhuān)用停車(chē)位少，就會(huì)出現(xiàn)亂停亂放現(xiàn)象，不僅影響城市形象，還會(huì)影響交通的正常運(yùn)行，“停車(chē)難”已成為城市發(fā)展的公共性難題之一。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者展開(kāi)了關(guān)于自行車(chē)車(chē)庫(kù)的研究，并取得了一定成果[1]。日本ECO自行車(chē)停車(chē)塔是一種地下自行車(chē)停放系統(tǒng)，整個(gè)存入過(guò)程只需要8 s。埋藏在地下的圓柱形結(jié)構(gòu)只有7 m寬，每個(gè)圓柱子可以容納200輛兩輪自行車(chē)。荷蘭Bike box是一種自動(dòng)升降停車(chē)庫(kù)，直徑5 m，共4層，每一輛車(chē)都有自己獨(dú)立的車(chē)位，它的運(yùn)作過(guò)程和升降貨梯的工作原理相同，簡(jiǎn)單便捷。常青青等人[2]設(shè)計(jì)了一種倉(cāng)儲(chǔ)式自動(dòng)存取立體車(chē)庫(kù)，提出了存取機(jī)械手與車(chē)位交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的思路，有效解決了停放車(chē)位緊缺的問(wèn)題，但其基于地上的設(shè)計(jì)利用的空間有限；胡艷麗等人[3]設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)升降式智能立體自行車(chē)庫(kù)，其空間利用率高，且管理智能化，但每一次存取車(chē)都需要入庫(kù)一次，存取效率不高；王澤等人[4]設(shè)計(jì)的裝配式自行車(chē)立體車(chē)庫(kù)，采用模塊化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速裝配及隨時(shí)拆解，但同樣存在每一次存取車(chē)都需要入庫(kù)一次的問(wèn)題；何兆雄等人[5]設(shè)計(jì)的自行車(chē)智能停車(chē)庫(kù)，樹(shù)狀傾斜布置10個(gè)固定停車(chē)架，通過(guò)機(jī)械爪的系列動(dòng)作實(shí)現(xiàn)自行車(chē)的抓取和存放，但其每個(gè)存車(chē)位上都有一個(gè)機(jī)械爪進(jìn)行存取工作，結(jié)構(gòu)上略顯冗雜；王鑫等人[6]設(shè)計(jì)的基于虛擬樣機(jī)的單車(chē)智能車(chē)庫(kù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，單車(chē)容量大，但同樣存在每一次存取車(chē)都需要入庫(kù)一次的問(wèn)題；劉承磊等人[7]采用兩級(jí)模塊組合式立體循環(huán)的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了模塊組合式立體循環(huán)自行車(chē)庫(kù)，該設(shè)計(jì)容量大、耗能小，但僅適用于地上建設(shè)；夏榮超等人[8]設(shè)計(jì)了一種自行車(chē)密集移動(dòng)車(chē)庫(kù)，采用模塊化設(shè)計(jì)，且每個(gè)車(chē)位模塊可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，但其平鋪的車(chē)位設(shè)計(jì)只能固定單車(chē)，并沒(méi)有解決單車(chē)停車(chē)空間不夠的問(wèn)題。

本文基于自行車(chē)車(chē)庫(kù)研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種地下圓塔型自行車(chē)自動(dòng)存取立體車(chē)庫(kù)。各部件由獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，故可實(shí)現(xiàn)多向同時(shí)存取自行車(chē)，且機(jī)構(gòu)在停滿(mǎn)4輛車(chē)時(shí)才會(huì)上下移動(dòng)存放一次，在此期間可以通過(guò)僅轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)存取車(chē)輛，大大提高了存取效率。

1? ? 全自動(dòng)單車(chē)車(chē)庫(kù)的結(jié)構(gòu)組成

1.1? ?立體車(chē)庫(kù)總體方案設(shè)計(jì)

本車(chē)庫(kù)設(shè)計(jì)外觀為圓塔式，如圖1所示，占地約50 m2。

車(chē)庫(kù)入口位于地面上，外設(shè)取車(chē)、停車(chē)等操縱面板，存取單車(chē)亦可通過(guò)刷卡、掃碼或小程序等實(shí)現(xiàn)。另外，車(chē)庫(kù)可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)為多門(mén)存取車(chē)。核心結(jié)構(gòu)主要包括：升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和抓取機(jī)構(gòu)。

1.1.1? ? 升降機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)整個(gè)升降裝置的上下移動(dòng)，整個(gè)升降裝置設(shè)計(jì)為圓形，四周均布4根立柱來(lái)與升降機(jī)構(gòu)相配合，為升降機(jī)構(gòu)的上下移動(dòng)提供導(dǎo)向作用。

1.1.2? ? 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

采用電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)和升降機(jī)構(gòu)的上下移動(dòng)相互獨(dú)立。在轉(zhuǎn)盤(pán)表面均布4組抓取機(jī)構(gòu)，這樣機(jī)構(gòu)在停滿(mǎn)4輛車(chē)時(shí)才會(huì)上下移動(dòng)存放一次，使得存取過(guò)程的效率大大提高。

1.1.3? ? 抓取機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

采用氣缸帶動(dòng)連桿來(lái)完成單車(chē)的夾緊，夾緊機(jī)構(gòu)通過(guò)平移滑塊與絲杠相連接，通過(guò)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制平移滑塊的前后移動(dòng)，采用絲杠可以保證運(yùn)送的準(zhǔn)確性。

1.2? ?自行車(chē)存取原理

存車(chē)過(guò)程：用戶(hù)將單車(chē)停于車(chē)庫(kù)門(mén)口后，通過(guò)刷卡、掃碼或小程序操作，使控制系統(tǒng)發(fā)出存車(chē)指令，氣缸控制車(chē)庫(kù)門(mén)打開(kāi)，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)到指定位置后，移動(dòng)機(jī)械抓手將單車(chē)抓入滑軌，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)上4個(gè)滑軌全部停滿(mǎn)單車(chē)后，通過(guò)升降機(jī)構(gòu)沿立桿降入地下車(chē)庫(kù)部分，再由機(jī)械抓手將單車(chē)分別推入系統(tǒng)所分配的載車(chē)架，最后轉(zhuǎn)盤(pán)、抓手等機(jī)構(gòu)復(fù)位，存車(chē)完成。

取車(chē)過(guò)程：用戶(hù)通過(guò)刷卡、掃碼或小程序操作后，控制系統(tǒng)發(fā)出存車(chē)指令，若轉(zhuǎn)盤(pán)上存有單車(chē)，則車(chē)庫(kù)門(mén)自動(dòng)打開(kāi)，機(jī)械抓手將單車(chē)推出車(chē)庫(kù)，取車(chē)完成；若轉(zhuǎn)盤(pán)上無(wú)單車(chē)，則轉(zhuǎn)盤(pán)通過(guò)升降機(jī)構(gòu)降入地下車(chē)庫(kù)指定位置，將車(chē)庫(kù)中停放的單車(chē)抓入滑軌，再上升至車(chē)庫(kù)門(mén)，轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)到指定位置，待車(chē)庫(kù)門(mén)打開(kāi)，抓手將單車(chē)推出，取車(chē)完成。

系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)使用或預(yù)約情況，實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)盤(pán)上自行車(chē)的數(shù)量，提高存取效率。存車(chē)流程圖如圖2所示。

2? ? 立體車(chē)庫(kù)尺寸設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有單車(chē)具體參數(shù)的調(diào)研，根據(jù)單車(chē)的尺寸參數(shù)（表1），確定單車(chē)車(chē)位長(zhǎng)1.65 m，高1.2 m，每?jī)蓚€(gè)單車(chē)車(chē)位之間的空間距離為0.5 m。車(chē)身總體的重量按照20 kg計(jì)算，車(chē)庫(kù)的外形為直徑8 m的圓塔型，每層可以存16輛單車(chē)（車(chē)庫(kù)的層數(shù)設(shè)計(jì)和每層停車(chē)位的設(shè)計(jì)為模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)具體的空間位置進(jìn)行增減）。

3? ? 立體車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車(chē)庫(kù)整體結(jié)構(gòu)分為三大部分：升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和抓取機(jī)構(gòu)。整個(gè)車(chē)庫(kù)的運(yùn)轉(zhuǎn)需要這三大部分的整體配合來(lái)完成。車(chē)庫(kù)主要組件如圖3所示。

3.1? ? 轉(zhuǎn)盤(pán)

如圖4所示，整個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)由1個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)、4個(gè)滑軌機(jī)構(gòu)、4個(gè)機(jī)械抓手組成，直徑為4.4 m?；墮C(jī)構(gòu)由齒輪、絲杠、機(jī)械手支撐滑架組成，長(zhǎng)度為1.6 m。其通過(guò)齒輪的旋轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，使絲杠上連接的機(jī)械手支撐滑架前后位移，從而帶動(dòng)開(kāi)合機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行拉車(chē)和推車(chē)操作。轉(zhuǎn)盤(pán)通過(guò)下方電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，對(duì)準(zhǔn)車(chē)庫(kù)門(mén)，待4個(gè)滑軌全部停滿(mǎn)單車(chē)后，由升降機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)盤(pán)送入地下或地上進(jìn)行單車(chē)存取。取車(chē)時(shí)，若轉(zhuǎn)盤(pán)上有車(chē)可以直接將轉(zhuǎn)盤(pán)上的單車(chē)取走，無(wú)須等待轉(zhuǎn)盤(pán)降入地下取車(chē)。

3.2? ? 升降平臺(tái)

升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由連接塊、立桿、滑塊與升降平臺(tái)構(gòu)成，連接塊與卷?yè)P(yáng)機(jī)伸出的鋼絲繩連接，滑塊與升降平臺(tái)連接并沿立桿上下運(yùn)動(dòng)，使平臺(tái)升降更加穩(wěn)定。

3.3? ? 單層車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)

單層車(chē)庫(kù)的結(jié)構(gòu)如圖6所示，直徑為8 m，上裝有16個(gè)如圖7所示的載車(chē)架，長(zhǎng)度為165 cm，寬度為15 cm，單層可停放16輛單車(chē)。每90°設(shè)計(jì)導(dǎo)向架，對(duì)立桿起固定支撐作用。單層車(chē)庫(kù)高度為120 cm，可根據(jù)實(shí)際建造要求確定層數(shù)，以滿(mǎn)足不同的停車(chē)需要。

3.4? ? 入庫(kù)與動(dòng)力組

整個(gè)車(chē)庫(kù)的入庫(kù)與動(dòng)力組如圖8所示，車(chē)庫(kù)門(mén)面積5 m2，可單門(mén)或雙門(mén)設(shè)計(jì)。升降電機(jī)為主動(dòng)力源，氣缸控制車(chē)庫(kù)門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉，卷?yè)P(yáng)機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩實(shí)現(xiàn)升降平臺(tái)的升降。

3.5? ? 基座部分

基座部分為整個(gè)車(chē)庫(kù)的最底層，起到承重、加固、保護(hù)車(chē)庫(kù)整體的作用，如圖9所示。

4? ? 立體車(chē)庫(kù)主要零部件有限元建模與分析

使用SolidWorks建模軟件中的Simulation插件對(duì)載車(chē)架、升降平臺(tái)頂蓋和轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行受力分析。整體結(jié)構(gòu)中主要的受力結(jié)構(gòu)就是不斷移動(dòng)的升降平臺(tái)、轉(zhuǎn)盤(pán)以及存放單車(chē)的載車(chē)架，而升降平臺(tái)中主要受力部分為連接鋼絲繩的頂蓋。頂蓋在靜止?fàn)顟B(tài)主要受到整個(gè)車(chē)庫(kù)的重力，而在從靜止到運(yùn)動(dòng)的這一過(guò)程中，受到的還有鋼絲繩帶來(lái)的拉力。轉(zhuǎn)盤(pán)與頂蓋相似，在運(yùn)動(dòng)時(shí)除了其承載的重力，還要承受加速度帶來(lái)的慣性力。載車(chē)架需承載單車(chē)重力和慣性力。因此，選取各部件滿(mǎn)載狀態(tài)并根據(jù)運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)據(jù)添加相應(yīng)的最大慣性力進(jìn)行仿真分析。

4.1? ? 載車(chē)架

載車(chē)架選用普通碳鋼，主要承載單車(chē)的重量，經(jīng)查閱資料，單車(chē)的最大質(zhì)量為20 kg，所以受力情況為200 N（單車(chē)前后輪中的一部分與載車(chē)架相接觸），仿真分析結(jié)果如圖10所示。由圖可知，載車(chē)架的最大應(yīng)力為1.046×106 N/m2，遠(yuǎn)小于材料的屈服力2.206×108 N/m2，滿(mǎn)足使用要求。

4.2? ? 升降頂蓋

升降頂蓋選用合金鋼，通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)上的鋼絲繩進(jìn)行牽引，故施加載荷位置為鋼絲繩連接處。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，整個(gè)升降機(jī)構(gòu)總負(fù)載為300 kg，故施加載荷大小為3 000 N，仿真分析結(jié)果如圖11所示。由圖可知，升降頂蓋所受最大應(yīng)力為4.999×107 N/m2，遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力6.204×108 N/m2，滿(mǎn)足使用要求。

4.3? ? 轉(zhuǎn)盤(pán)

轉(zhuǎn)盤(pán)選用普通碳鋼，整個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)通過(guò)軸與轉(zhuǎn)盤(pán)下面的中心孔進(jìn)行配合，然后由聯(lián)軸器將電機(jī)與軸相連，軸進(jìn)行扭矩的傳遞，施加的扭矩為100 N·m，仿真分析結(jié)果如圖12所示。由圖可知，轉(zhuǎn)盤(pán)所受的最大應(yīng)力為7.808×107 N/m2，遠(yuǎn)小于材料的屈服力2.206×108 N/m2，滿(mǎn)足使用要求。

5? ? 立體車(chē)庫(kù)關(guān)鍵位置運(yùn)動(dòng)仿真分析

本文對(duì)運(yùn)動(dòng)要求較為嚴(yán)格的部件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，包括機(jī)械抓手、轉(zhuǎn)盤(pán)滑塊以及升降機(jī)構(gòu)，如圖13～15所示。

由機(jī)械抓手的位移-時(shí)間圖分析可得，機(jī)械抓手的工作過(guò)程滿(mǎn)足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，可以在預(yù)期的5 s時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)到所需位置并完成單車(chē)的夾緊過(guò)程；由轉(zhuǎn)盤(pán)滑塊位移-時(shí)間圖分析滑塊在水平方向的位移可知，滑塊可在預(yù)期的5 s時(shí)間內(nèi)完成對(duì)單車(chē)的運(yùn)送，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；由升降機(jī)構(gòu)的位移-時(shí)間圖分析可得，升降平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能在預(yù)期的5 s之內(nèi)完成單車(chē)的運(yùn)送，滿(mǎn)足工作需求。運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的結(jié)果表明整個(gè)機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

6? ? 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前城市的車(chē)庫(kù)投放點(diǎn)多、容量小、占地面積大，且亂停亂放現(xiàn)象嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種圓塔式的地下立體車(chē)庫(kù)，解決了停車(chē)難、取車(chē)難、占地多等問(wèn)題。本文采用SolidWorks軟件建立了圓塔式地下立體車(chē)庫(kù)的三維模型，并應(yīng)用Simulation對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行力學(xué)及運(yùn)動(dòng)仿真，獲得應(yīng)力云圖和位移-時(shí)間圖，根據(jù)仿真分析結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。車(chē)庫(kù)采用模塊化設(shè)計(jì)，層數(shù)可根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H需求增減。入庫(kù)車(chē)門(mén)數(shù)量亦可調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)多車(chē)同時(shí)存取。并且存取車(chē)時(shí)，若轉(zhuǎn)盤(pán)上有空位或有車(chē)即可直接存取，大大提高了存放和取車(chē)的效率，具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王琴，楊連發(fā)，張震，等.自行車(chē)停放裝置的開(kāi)發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代機(jī)械，2009（5）：82-84.

[2] 常青青，周建陽(yáng)，吳耀光.倉(cāng)儲(chǔ)式自行車(chē)自動(dòng)存取立體車(chē)庫(kù)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2022，38（2）：193-196.

[3] 胡艷麗，劉團(tuán)結(jié)，戴文俊，等.旋轉(zhuǎn)升降式智能立體自行車(chē)庫(kù)設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，41（6）：563-568.

[4] 王澤，滕志祥.裝配式自行車(chē)立體車(chē)庫(kù)研究設(shè)計(jì)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2020（1）：88-92.

[5] 何兆雄，章德平，錢(qián)強(qiáng)，等.一種自行車(chē)智能停車(chē)庫(kù)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2019，32（4）：145-147.

[6] 王鑫，沙鑫美.基于虛擬樣機(jī)的單車(chē)智能車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真研究[J].工程與試驗(yàn)，2019，59（2）：124-125.

[7] 劉承磊，薛濤，王澄，等.模塊組合式立體循環(huán)自行車(chē)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2019，36（4）：60-65.

[8] 夏榮超，軒亮，李金華.一種自行車(chē)密集移動(dòng)車(chē)庫(kù)的設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2019（2）：112-113.

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.10.009

基金項(xiàng)目：陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202310709138）

收稿日期：2024-01-19

作者簡(jiǎn)介：王春霖（2003—），男，安徽濉溪人，研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真。