智能化平面移動(dòng)式立體車庫研究*

康海剛 吳上生 林旺陽

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智能化平面移動(dòng)式立體車庫研究*

康海剛1吳上生2林旺陽2

（1.廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程技術(shù)學(xué)院 2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

介紹平面移動(dòng)式立體車庫的工作原理，分析現(xiàn)有平面移動(dòng)式立體車庫的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合總體鋼結(jié)構(gòu)、載車板形式及其存放方式、搬運(yùn)臺(tái)車功能需要，分析汽車回轉(zhuǎn)盤、升降臺(tái)和曳引裝置的結(jié)構(gòu)功能，提出一種新型智能化平面移動(dòng)式立體車庫結(jié)構(gòu)方案；設(shè)計(jì)載車板、搬運(yùn)臺(tái)車、汽車回轉(zhuǎn)盤、曳引裝置和升降臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并對提升系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，論證了方案的可行性。

平面移動(dòng)式立體車庫；搬運(yùn)臺(tái)車；汽車回轉(zhuǎn)盤；升降臺(tái)；曳引裝置

0　引言

隨著家用汽車的普及和人們對汽車需求的增加，我國居民汽車擁有量呈井噴式增長[1]。但大量車輛造成的停車難問題，使城市交通擁堵和生活秩序混亂[2]，制約了城市的發(fā)展，影響城市形象。因此，交通擁堵和秩序混亂等城市靜態(tài)交通問題，己成為城市交通管理部門急需解決的問題[3]。

智能化平面移動(dòng)式立體車庫利用自動(dòng)化和智能化的運(yùn)行管理，具有操作簡單、運(yùn)行可靠、便于維護(hù)和車位用地面積小等優(yōu)勢，且車庫層高小，空間利用率高，車庫結(jié)構(gòu)可變，是緩解交通、解決停車難問題的主要途徑，被稱為城市空間的“節(jié)能者”[4]。其缺點(diǎn)是能耗偏大，上下班等存取車高峰時(shí)段存取車時(shí)間過長。

智能化平面移動(dòng)式立體車庫在同一層由自動(dòng)搬運(yùn)臺(tái)車沿軌道移動(dòng)車輛，用載車板橫向推送存取車輛；在不同層平面移動(dòng)存取車輛由自動(dòng)搬運(yùn)臺(tái)車和升降機(jī)配合進(jìn)行，通過升降機(jī)的垂直升降和自動(dòng)搬運(yùn)臺(tái)車的平面往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將車輛自動(dòng)移送到多層平面布置的停車區(qū)域[5]。

1　智能化平面移動(dòng)式立體車庫設(shè)計(jì)

1.1　總體結(jié)構(gòu)

智能化平面移動(dòng)式立體車庫車位平面布局如圖1所示[6-7]，鋼結(jié)構(gòu)采用3×排列型，中間為巷道，每層巷道用兩組定長的H鋼200 mm×100 mm翼板水平放置，巷道內(nèi)寬2706 mm；立柱采用H鋼250 mm×250 mm型，梁采用槽鋼180 mm×68 mm×8 mm，與巷道平行的梁為縱梁，與巷道垂直的梁為橫梁；巷道兩邊的停放車位對稱布置，停放車位空間尺寸為5444 mm×1950 mm×1870 mm；本設(shè)計(jì)提出將提升井設(shè)置在巷道兩端，提升井長寬5444 mm×3356 mm；每層設(shè)置的自動(dòng)搬運(yùn)臺(tái)車可自動(dòng)運(yùn)行到提升井中；在提升井中由梳齒型載車板對存取車輛進(jìn)行垂向交換。本方案所提出的梳齒型載車板由升降臺(tái)載車板、旋轉(zhuǎn)載車板和車位載車板構(gòu)成。

智能化平面移動(dòng)式立體車庫車位垂向位置關(guān)系如圖2所示，在提升井地下平臺(tái)放置汽車回轉(zhuǎn)盤。地下平臺(tái)分2級，離地面深度分別為750 mm和350 mm，直徑分別為2280 mm和2590 mm。實(shí)際上，梳齒式載車板就是升降臺(tái)的簡化形式，結(jié)合智能搬運(yùn)臺(tái)車和提升井做了結(jié)構(gòu)改進(jìn)；提升系統(tǒng)采用曳引驅(qū)動(dòng)，由8個(gè)滑輪和1個(gè)曳引輪組合，并配以對重塊，通過鋼絲繩的纏繞傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)提升功能。

圖2　智能化平面移動(dòng)式立體車庫車位垂向位置關(guān)系

1.2　存車方法

1）如果指定車輛停放在第層某個(gè)車位，汽車回轉(zhuǎn)盤的位置如圖2所示，升降臺(tái)位于汽車回轉(zhuǎn)盤上且旋轉(zhuǎn)載車板下。存取車平面示意圖如圖3所示，當(dāng)車開至車庫入口位置，汽車回轉(zhuǎn)盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90o，車輛行使到汽車回轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)載車板上，汽車回轉(zhuǎn)盤再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90o；曳引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作，提升升降臺(tái)，使升降臺(tái)的梳齒管導(dǎo)輪高出旋轉(zhuǎn)載車板22 mm~ 32 mm，升降臺(tái)剛好提起車輛，即車轉(zhuǎn)移至升降臺(tái)。關(guān)閉曳引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，啟動(dòng)液壓缸系統(tǒng)運(yùn)行對中裝置，對中裝置強(qiáng)制車相對于升降臺(tái)對稱放置，對中完成后液壓缸復(fù)位，然后啟動(dòng)曳引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，繼續(xù)提升升降臺(tái)至第層巷道上面300 mm高度時(shí)停止上升。

2）在此過程中，智能搬運(yùn)臺(tái)車無論處于任何位置都使其行走至入口提升井旁邊等候存車；智能搬運(yùn)臺(tái)車沿軌道移動(dòng)到提升井內(nèi)，升降臺(tái)下降，升降臺(tái)與智能搬運(yùn)臺(tái)車上的載車板梳齒交換，車輛切換到智能搬運(yùn)臺(tái)車的載車板上；車輛通過梳齒交換后，升降臺(tái)下降至地下的汽車回轉(zhuǎn)盤上，等候下一次存車；智能搬運(yùn)臺(tái)車、載車板連同車輛移動(dòng)至指定的停車位旁，推送機(jī)構(gòu)推送車位載車板入停車位，存車過程結(jié)束。

1.3　取車方法

1）假設(shè)車輛停放在第層某個(gè)車位，汽車回轉(zhuǎn)盤的位置如圖2所示，升降臺(tái)位于汽車回轉(zhuǎn)盤上且旋轉(zhuǎn)載車板下。搬運(yùn)臺(tái)車無論處于任何位置都使其行走至車停放的第層某個(gè)車位旁，搬運(yùn)臺(tái)車的推送機(jī)構(gòu)拉取車位載車板連同車輛從停車位至搬運(yùn)臺(tái)車后，移動(dòng)到出口提升井旁；曳引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提升升降臺(tái)至第層巷道下面110 mm時(shí)停止上升；搬運(yùn)臺(tái)車自動(dòng)行駛到提升井，再繼續(xù)上升升降臺(tái)至第層巷道上面305 mm時(shí)停止，搬運(yùn)臺(tái)車上載車板通過梳齒交換將車輛切換到升降臺(tái)上。

2）智能搬運(yùn)臺(tái)車自動(dòng)離開提升井，升降臺(tái)下降至汽車回轉(zhuǎn)盤上并再進(jìn)行梳齒交換，將車輛轉(zhuǎn)移至旋轉(zhuǎn)載車板上，汽車回轉(zhuǎn)盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90o，車輛開出汽車回轉(zhuǎn)盤從出口離開車庫，汽車回轉(zhuǎn)盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90o復(fù)位，取車過程結(jié)束。

圖3　存取車平面示意圖

2　載車板結(jié)構(gòu)

本方案所有載車板均采用梳齒結(jié)構(gòu)，如圖4所示。梳齒結(jié)構(gòu)載車板主要有一體式梳齒結(jié)構(gòu)和雙邊式梳齒結(jié)構(gòu)2種形式。梳齒載車板的交換原理是通過載車板在垂直方向上的交錯(cuò)實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)移。采用梳齒結(jié)構(gòu)載車板的平面移動(dòng)式立體車庫中同時(shí)存在這2種載車板，車位載車板和旋轉(zhuǎn)載車板采用一體式梳齒結(jié)構(gòu)，升降臺(tái)載車板采用雙邊式梳齒結(jié)構(gòu)。

一體式梳齒載車板縱向支撐梁采用方鋼100 mm×100 mm×6 mm，橫向梳齒管采用方鋼50 mm× 50 mm×4 mm，將橫向小方鋼按中心距150 mm排列焊接在大方鋼上；雙邊式梳齒型載車板縱向的支撐梁采用矩形鋼120 mm×60 mm×6 mm，小方鋼的一端通過焊接與矩形鋼側(cè)面駁接，兩邊對稱制作。

圖4　梳齒交換原理

3　智能搬運(yùn)臺(tái)車

本方案采用單層行走式智能搬運(yùn)臺(tái)車，每層巷道都需配置一輛智能搬運(yùn)臺(tái)車。單層行走式智能搬運(yùn)臺(tái)車存取車時(shí)間更短、效率更高，可提高存取車效率，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

智能搬運(yùn)臺(tái)車采用滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)裝置、橫向推送機(jī)構(gòu)、型鋼框架和電控系統(tǒng)4部分組成。其中伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)裝置包括行走伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)同步軸、主動(dòng)輪組件、從動(dòng)輪組件、皮帶輪組件和軸承座；橫向推送機(jī)構(gòu)包括絲桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件、絲桿及載車板導(dǎo)輪架組件和推送機(jī)構(gòu)等。

在運(yùn)動(dòng)裝置中，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪固定在臺(tái)車型鋼框架的軸承座上，主動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)同軸配合，驅(qū)動(dòng)軸通過皮帶輪與電機(jī)軸固定連接，電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而使主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)輪跟隨滾動(dòng)。在橫向推送機(jī)構(gòu)中，兩邊對稱安裝的導(dǎo)軌作為滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)軌道，絲桿螺母上連接推送機(jī)構(gòu)，推送機(jī)構(gòu)兩頭對稱制作，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)作用下，推送機(jī)構(gòu)可沿著絲桿方向來回運(yùn)動(dòng)，滿足存取車的需求。

圖5　搬運(yùn)臺(tái)車結(jié)構(gòu)圖

4　汽車回轉(zhuǎn)盤

汽車回轉(zhuǎn)盤位于在平面移動(dòng)式立體車庫提升井的地下平臺(tái)上，既實(shí)現(xiàn)車輛的旋轉(zhuǎn)和對中動(dòng)作，還能與升降機(jī)上載車板交換以實(shí)現(xiàn)車輛在汽車回轉(zhuǎn)盤和升降機(jī)上的互相轉(zhuǎn)移。

汽車回轉(zhuǎn)盤組合機(jī)構(gòu)包括：旋轉(zhuǎn)底盤支撐導(dǎo)輪、回轉(zhuǎn)支撐座、旋轉(zhuǎn)中心軸、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)底盤驅(qū)動(dòng)導(dǎo)輪、旋轉(zhuǎn)載車板支撐導(dǎo)輪、對中角鋼、梳齒式載車板、旋轉(zhuǎn)底盤組件和雙向液壓缸，如圖6所示。

圖6　汽車回轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖

5　提升系統(tǒng)

5.1　曳引裝置

提升系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)裝置和升降臺(tái)，結(jié)構(gòu)布局由其驅(qū)動(dòng)方式?jīng)Q定。本方案中采用電機(jī)上置的曳引驅(qū)動(dòng)方式，其中曳引機(jī)采用雙軸式電機(jī)，提升井兩邊的曳引裝置對稱安裝，如圖7所示。

吊點(diǎn)提升動(dòng)滑輪a、d通過支架固定在升降臺(tái)上；對重塊吊點(diǎn)動(dòng)滑輪g、i通過支架固定在對重塊上；平衡定滑輪b、c、e、h固定在車庫頂部的鋼結(jié)構(gòu)上，并保持b、c兩點(diǎn)在同一水平線上；曳引輪f連接在曳引機(jī)上，曳引機(jī)固定在頂層鋼結(jié)構(gòu)上；鋼絲繩如圖7所示卷繞各個(gè)滑輪，左右兩端分別連接調(diào)節(jié)螺母，調(diào)節(jié)螺母與頂層鋼結(jié)構(gòu)配合，這樣在無驅(qū)動(dòng)力狀態(tài)下升降臺(tái)和對重塊都能保持水平。曳引機(jī)驅(qū)動(dòng)曳引輪轉(zhuǎn)動(dòng)，對重塊的運(yùn)動(dòng)方向始終與提升架運(yùn)動(dòng)方向相反，改變曳引輪上鋼絲繩的卷繞根數(shù)可改變提升高度，調(diào)節(jié)螺母可調(diào)整提升預(yù)緊力。

圖7　曳引機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系

5.1.1速度分析

如圖7中，設(shè)曳引機(jī)順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)速度為，在時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的行程為，升降臺(tái)上升的速度為1，上升高度為1，且

1= d1/d(1)

對重塊下降的速度為2，下降高度為2，且

2= d2/d(2)

鋼絲繩通過4個(gè)點(diǎn)拉動(dòng)升降臺(tái)，故鋼絲繩運(yùn)動(dòng)的行程為升降臺(tái)上升高度的4倍，即

= 41(3)

同樣鋼絲繩的行程也為對重塊下降高度的4倍，即

= 42(4)

綜合式(1)~式(4)，可得到

1=2

即升降臺(tái)的速度和對重塊的速度數(shù)值相等方向相反，說明升降臺(tái)和對重塊的運(yùn)動(dòng)高度總是相等方向相反。假設(shè)升降臺(tái)和對重塊某一時(shí)間的高度分別為1和2，車庫總高為，當(dāng)升降臺(tái)處于地下時(shí)，即

1= 0

2=

當(dāng)經(jīng)過提升運(yùn)動(dòng)，升降臺(tái)上升和對重塊下降的高度時(shí)，可以得到

1+2= 0++?=

所以升降臺(tái)和對重塊的高度之和等于車庫高度，是一個(gè)常數(shù)，則可以得到

1≤

2≤

即升降臺(tái)和對重塊的高度都不會(huì)超出車庫高度。

5.1.2受力分析

1）如圖7所示，在非工作狀態(tài)下，12，可得到

121/2 (5)

11/2=1/4 (6)

同理可得到

22/2=Q/4 (7)

綜合式(5)~式(7)，可得到

12=4

其中，1為拉力1；2為拉力2；為摩擦系數(shù)；1為合力1；2為合力2；1為重力1；2為重力2。

在到達(dá)最大靜摩擦力前，摩擦力在0max之間浮動(dòng)，故maxmax。1是無車狀態(tài)下的升降臺(tái)重量，故對重塊的重量取值應(yīng)為

21+4max

2）當(dāng)鋼絲繩沿曳引輪處于臨界滑移狀態(tài)時(shí)[8]，鋼絲繩的有效張力值等于曳引系數(shù)e，即

1/2=e

為使提升機(jī)構(gòu)可靠不滑動(dòng)，考慮到有充足的曳引力，必須滿足

1/2≤e

其中，1/2是曳引輪兩邊鋼絲繩較大靜張力與較小靜張力之比；是鋼絲繩在滑輪槽中的當(dāng)量盤摩擦系數(shù)，對半圓形槽=1.229983，為鋼絲繩與滑輪槽之間的實(shí)際摩擦系數(shù)，當(dāng)滑輪槽為鋼或鑄鐵時(shí)通常取為= 0.08999；是鋼絲繩在曳引輪上的包角。

在運(yùn)行狀態(tài)下，由于升降臺(tái)的載荷、位置和運(yùn)行方向都在變化，因此在各種狀態(tài)下都要使升降機(jī)有足夠大的曳引力，即

1/2≤e

其中，為制動(dòng)加速度；是考慮制動(dòng)加速度有關(guān)的系數(shù)，且=(g+)/(g?)，g為重力加速度。

5.2　升降臺(tái)

本方案的升降臺(tái)在雙邊式梳齒型載車板的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，增加了4條提升臂，并且改變了梳齒管的形式。升降臺(tái)的雙邊式梳齒型載車板一分為二，在巷道兩邊懸置，保持單邊水平。升降臺(tái)使用雙軸式曳引機(jī)，保持雙邊曳引系統(tǒng)同時(shí)升降，避免高度差，如圖8所示。

圖8　升降臺(tái)

提升吊掛點(diǎn)設(shè)置在提升臂上，考慮到吊掛點(diǎn)與重心的偏移，兩邊梳齒架可能會(huì)向中間傾斜，故在提升臂上設(shè)計(jì)了導(dǎo)輪。提升臂以H鋼100 mm×100 mm為主體，在H鋼兩側(cè)翼緣上不對稱地焊接2個(gè)輪組，在腹板的槽中焊接2個(gè)輪組，將提升臂裝在立柱H鋼的槽中，由這些零件構(gòu)成的組件作為提升機(jī)的提升軌道，如圖8所示。為了配合旋轉(zhuǎn)盤上的對中功能，梳齒管沒有使用方管，而是用折成的槽型板，在槽型板上安裝若干導(dǎo)輪組，即為一個(gè)梳齒管單元。

6　結(jié)語

本文提出的智能化平面移動(dòng)式立體車庫具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）提升井設(shè)置在巷道中，每層可增加2個(gè)車位，提高存車密度；

2）采用梳齒式載車板，交換簡單迅速，并且無需還回載車板，能夠提高車庫總體的存取車效率；

3）搬運(yùn)臺(tái)車采用滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)，速度易于控制、精度好，同時(shí)占用較小空間高度；

4）在提升井中采用汽車回轉(zhuǎn)盤調(diào)整進(jìn)出庫車輛位置，節(jié)省出入口的空間，避免倒車入庫，也使車輛有充足的調(diào)整空間；

5）在汽車回轉(zhuǎn)盤上增加對中裝置，可以自動(dòng)調(diào)整車輛至指定角度和位置，使存取車更簡單且可節(jié)省時(shí)間。

[1] 李衛(wèi).多出入口方形塔式智能立體車庫監(jiān)控系統(tǒng)研究開發(fā)[D].廣州:華南理工大學(xué),2013.

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Research on Intelligent Planar Movable Stereo Garage

Kang Haigang1Wu Shangsheng2Lin Wangyang2

(1.Guangdong Polytechnic of Science and Technology, Computer Engineering Technical College 2.South China University of Technology, School of Mechanical and Automotive Engineering)

This paper introduces the working principle of planar movable stereo garage, analyzed the advantages and disadvantages of the existing planar movable stereo garage, combined with the overall steel structure, car carrying board and its storage methods and the functional needs of conveying trolley, analyze the structure and function of automobile rotary disk, elevating platform and the traction device, researched and put forward the structure scheme of a new type of intelligent planar movable stereo garage, designed the mechanical structure of car carrying board, conveying trolleys, automobile rotary disk, the traction device and elevating platform, and lifting system is calculated and analyzed to confirm the feasibility of the scheme.

Planar Movable Stereo Garage; Conveying Trolley; Automobile Rotary Disk; Elevating Platform; Traction Device

康海剛，男，1980年生，研究生，講師，主要研究方向：數(shù)學(xué)建模、機(jī)電一體化技術(shù)等。E-mail: h-gang@163.com

吳上生，男，1963年生，博士，教授，主要研究方向：精密機(jī)械設(shè)計(jì)制造、自動(dòng)化等。E-mail: shshwu@scut.edu.cn

廣州市南沙區(qū)科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016CX0）