一種利用綠化帶上方空間停車(chē)裝置的設(shè)計(jì)研究

（南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330100）

0 引言

隨著人們對(duì)生活品質(zhì)需求的日益提高，私人汽車(chē)已經(jīng)成為中國(guó)家庭的必需品。但隨著城市中汽車(chē)數(shù)量的急劇增加，停車(chē)問(wèn)題成為各個(gè)大、中城市面臨的一大難題[1]。數(shù)據(jù)顯示，2010年以前建造的老小區(qū)，規(guī)劃配建的車(chē)位在0.3～0.8之間， 老舊小區(qū)和次新住宅區(qū)公共區(qū)域小，且沒(méi)有足夠的空間增建集中式停車(chē)場(chǎng)立體停車(chē)庫(kù)[2]，“停車(chē)難”問(wèn)題亟待解決。

通過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，60%以上擁有私家車(chē)的居民希望能夠采取地上停車(chē)的方式。一方面，地面停車(chē)費(fèi)用僅為地下車(chē)庫(kù)停車(chē)費(fèi)用的30%，另一方面，地面停車(chē)也易于車(chē)主出行?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)幾乎所有私家車(chē)都是采用地面停車(chē)的方式，但大量的地面停車(chē)阻礙了路面交通，過(guò)往車(chē)輛難以并排雙向而行。面對(duì)“停車(chē)難”問(wèn)題，78%的住戶表示贊成增設(shè)停車(chē)位，但需要以不破壞小區(qū)原有格局為前提。

針對(duì)現(xiàn)有裝置的一些問(wèn)題，并結(jié)合小區(qū)特征，以不破壞小區(qū)原有格局為前提，本文設(shè)計(jì)了一種利用小區(qū)綠化帶上方空間停車(chē)裝置的設(shè)計(jì)研究。本方案將載車(chē)板平鋪于兩側(cè)道路，保證汽車(chē)與行人無(wú)障礙通行。當(dāng)車(chē)主需要停車(chē)時(shí)，將車(chē)停置于載車(chē)板上，以單電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備分步完成載車(chē)板的“垂直升降+水平橫移”動(dòng)作，最終將汽車(chē)抬升并橫移至一側(cè)的綠化帶上方。且小區(qū)車(chē)主于清晨外出工作，將小轎車(chē)取出，對(duì)植物接收光照與生長(zhǎng)的影響較小、對(duì)小區(qū)景觀造成的影響較小，綠化帶的觀賞功能得以保證。本設(shè)計(jì)方案適用于老舊小區(qū)等地方安裝使用。

1 綠色停車(chē)裝置的總體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的綠色停車(chē)裝置如圖所示，整個(gè)裝置分為兩大部分組成，一是嵌入在綠化帶內(nèi)側(cè)的動(dòng)力部分1，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，鏈條傳動(dòng)3，動(dòng)滑輪組2。第二部分是平鋪于路面的載車(chē)板5，連接兩大部分的剛?cè)犭p屬性柔性桿8。停車(chē)時(shí)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈條3，進(jìn)而通過(guò)推桿4推動(dòng)柔性桿8，柔性桿由柔性變?yōu)閯傂裕瑢⑺酵屏D(zhuǎn)化成豎直方向的支持力，致使載車(chē)板被其平穩(wěn)地頂起，有效解決了傳統(tǒng)升降機(jī)構(gòu)阻礙路面交通的問(wèn)題。該方案的橫移裝置采用鏈條鏈連接塊帶動(dòng)滑輪組的形式，將升起的載車(chē)板橫移至綠化帶上方，也實(shí)現(xiàn)載車(chē)板與小轎車(chē)橫向位移倍增的效果，從而達(dá)到將鏈條長(zhǎng)度減少到原來(lái)的一半的目的，減少鏈條垂度過(guò)大對(duì)嚙合傳動(dòng)造成的影響。在橫向位移倍增的同時(shí)，其橫移速度也將倍增，提高停車(chē)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

圖1 設(shè)計(jì)的停車(chē)裝置簡(jiǎn)圖

本設(shè)備將載車(chē)板平鋪于右側(cè)道路（車(chē)主視角），保證汽車(chē)與行人無(wú)障礙通行。當(dāng)車(chē)主需要停車(chē)時(shí)，只需將車(chē)停置于載車(chē)板上，按下停車(chē)按鈕后即可離去，該設(shè)備自動(dòng)完成后續(xù)停車(chē)過(guò)程。將汽車(chē)抬升并橫移至一側(cè)的綠化帶上方，保證不阻礙路面交通。整個(gè)流程極為簡(jiǎn)潔，方便高效。取車(chē)過(guò)程與此相反，車(chē)主只需按下取車(chē)按鈕，待小轎車(chē)停穩(wěn)于路面后，即可上車(chē)出行。

圖2 三維模型停車(chē)示意圖

2 升降柔性桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 柔性桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)道路側(cè)垂直升降的要求，避免阻礙路面交通，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離支撐和升降裝置初始狀態(tài)平鋪地面，提升小轎車(chē)過(guò)程中支撐裝置垂直于地面提供持續(xù)的支持力，該方案創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)出柔性桿機(jī)構(gòu)。柔性桿機(jī)構(gòu)由一段段連桿單元體組合而成，柔性桿“鏈節(jié)”成平行四邊形，具有剛?cè)犭p屬性。未工作時(shí)柔性桿平鋪于路面一側(cè)的地下，由于處于平鋪狀態(tài)，柔性桿機(jī)構(gòu)的高度僅僅來(lái)自于桿的厚度。工作時(shí)柔性桿各連桿單元體在綠化帶一側(cè)驅(qū)動(dòng)力的作用下，逐次越過(guò)引導(dǎo)彎板1，將水平推力轉(zhuǎn)化成豎直方向的支持力?！版湽?jié)”單元逐個(gè)相連，源源不斷地由水平狀態(tài)的平行四邊形展開(kāi)成豎直狀態(tài)，致使載車(chē)板被其平穩(wěn)地頂起。為保證平行四邊形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，方案在兩相對(duì)的鉸鏈點(diǎn)間增設(shè)2根短桿2，用于保持死點(diǎn)位置，提供穩(wěn)定可靠的支撐。在下降過(guò)程中，綠化帶一側(cè)提供拉力，柔性桿中的短桿2，觸碰引導(dǎo)彎板1，破壞死點(diǎn)支撐位置，載車(chē)板可以穩(wěn)定下降。

圖3 柔性桿機(jī)構(gòu)原理圖

圖4 三維模型仿真圖

2.2 柔性桿受力分析

柔性桿機(jī)構(gòu)以普通碳鋼為主要材料，其彈性模量約為2.1×101N/m2，屈服強(qiáng)度約為2.2×108N/m2，泊松比為0.28。由對(duì)載車(chē)板受力（詳見(jiàn)3.2節(jié)）的分析可得單根柔性桿將承受大約7500N的壓力，定義柔性桿中各短桿間通過(guò)鉸鏈連接，利用SolidWorks進(jìn)行模型應(yīng)力求解。

圖5 柔性桿應(yīng)力

如上圖所示，施加載荷后柔性桿機(jī)構(gòu)所承受的最大應(yīng)力為1.628×107N/m2，低于其屈服力2.2×108N/m2。其最大應(yīng)變量發(fā)生在右側(cè)短桿的鉸鏈點(diǎn)附近。

圖6 柔性桿應(yīng)變

通過(guò)最大Von Mises應(yīng)力準(zhǔn)則進(jìn)行校核，其安全系數(shù)大于14，滿足方案對(duì)柔性桿的設(shè)計(jì)要求。

圖7 柔性桿安全因子

3 載車(chē)板的設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 載車(chē)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

載車(chē)板的主要作用是承載車(chē)輛。為了使車(chē)輛進(jìn)入載車(chē)板停放時(shí)獲得定位和防止車(chē)輛在載車(chē)板運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生位移，需要在載車(chē)板上設(shè)置稱(chēng)為“車(chē)輪限位裝置”的安全設(shè)施[3]。故要對(duì)汽車(chē)進(jìn)行x軸或y軸進(jìn)行限位和汽車(chē)?yán)@z軸旋轉(zhuǎn)的限位。Y軸方向通過(guò)兩根橫梁1、2限位。在抬升過(guò)程中對(duì)兩個(gè)前輪（后輪）進(jìn)行限位，限制其沿Y軸和z軸方向的運(yùn)動(dòng)，后輪（前輪）在方向不限位以適應(yīng)各種車(chē)型。柔性支撐部分3主要是對(duì)汽車(chē)x方向的限位。橫桿抬升過(guò)程中車(chē)輪下陷，柔性部分也會(huì)產(chǎn)生一定形變，因此能盡量保證汽車(chē)y軸方向水平，防止汽車(chē)傾斜，并減小y軸方向的分力。

圖8 載車(chē)板總方案

圖9 柔性支撐部分對(duì)x方向限位的原理圖

3.2 橫桿受力分析[4]

受力分析（重力加速度g=10N/kg）如下：

設(shè)汽車(chē)前輪位置載荷1200kg，后輪位置載荷800kg。由于汽車(chē)行駛方向不同，前后車(chē)輪相對(duì)載車(chē)板的位置也不同，為滿足雙向停車(chē)，載車(chē)板前后校核均按載荷1200kg校核。

圖10 輪胎受力分析圖

車(chē)輪與橫梁受力模型圖（F1為橫梁對(duì)車(chē)輪的支撐力，F(xiàn)’為車(chē)輪受到的壓力，R為車(chē)輪半徑，r為圓管半徑）。

輪胎直徑計(jì)算公式為：D=輪轂的直徑 + 輪胎寬度×扁平比×2（1英寸=25.4mm）。

輪轂的直徑一般在15～22英寸之間，輪胎的寬度一般在165～225毫米之間，扁平率在0.45～0.70之間。代入公式得輪胎直徑在529.5～873.8mm。故按車(chē)輪直徑為529.5mm計(jì)算。

代入式(3)、式(1)得β=29.69°，F(xiàn)1=6056.85N。

圖11 單根橫梁受力模型

圖12 根據(jù)力的平衡定理對(duì)力系簡(jiǎn)化

圖13 剪力圖

圖14 扭矩圖

由工程力學(xué)知識(shí)可知：

3.3 柔性支撐部分受力分析

1）分析受力

圖15 受力模型

如圖所示為受力簡(jiǎn)化模型圖，F(xiàn)'為車(chē)輪所受壓力6000N，F(xiàn)4，F(xiàn)5，F(xiàn)6分別為載車(chē)板對(duì)鋼絲繩的支撐力。由于抬升過(guò)程中鋼絲繩不在形變，故可以看作是剛性物體，即將鋼絲繩剛化。

按照理想狀態(tài)進(jìn)行受力分析，可簡(jiǎn)化為：

圖16 柔性支撐受力模型圖

圖17 柔性支撐受力簡(jiǎn)化圖

易得：

同理：

所以當(dāng)輪間距最?。▁=1320mm）時(shí)，F(xiàn)6最大F6max=9920N。

4 鏈傳動(dòng)

鏈條推拉柔性桿時(shí)，緊邊與松邊張力分布如圖18所示。

圖18 鏈條受力圖

受力分析后，可初步確定鏈條受到的阻力約為20kN。鏈條緊邊拉力Ft等于鏈條松邊拉力與有效圓周力之和，可求得鏈條緊邊需要承受35kN拉力。

裝置中鏈傳動(dòng)部分中心距大，傳動(dòng)比小，鏈條應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增大，且該設(shè)備工作于重載狀況下，宜選用雙排鏈增加其承載能力。鏈條在提升小轎車(chē)過(guò)程中受力力最大，根據(jù)《居住區(qū)綠地設(shè)計(jì)規(guī)范》，方案擬定將小轎車(chē)抬升80cm需要20s，則該過(guò)程當(dāng)中的平均速度V=0.04m/s。單側(cè)鏈條輸出功率：

考慮功率損失等因素，將鏈輪輸入功率調(diào)整為：

擬定鏈輪直徑為d=0.2m，若不考慮鏈的多邊形效應(yīng)，則鏈輪速度：

取雙排鏈鏈輪齒數(shù)為14， 當(dāng)量單排鏈計(jì)算功率：

根據(jù)單排滾子鏈額定功率曲線，選用28A-2號(hào)滾子鏈，其節(jié)距p=44.45mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）隨著汽車(chē)數(shù)量的增加，停車(chē)問(wèn)題已經(jīng)亟待解決。

2）提出一種利用綠化帶上方空間停車(chē)方案的設(shè)計(jì)研究：對(duì)柔性桿和載車(chē)板進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算確定了載車(chē)板的尺寸，完成了鏈條的選擇。

提出的停車(chē)方案具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、開(kāi)辟新的停車(chē)空間、綠化兼顧停車(chē)雙作用等優(yōu)點(diǎn)，非常適合我國(guó)老舊小區(qū)和次新商品房區(qū)的布局結(jié)構(gòu)，具有良好的市場(chǎng)前景和推廣價(jià)值。