基于復(fù)合交換存取的立體停車裝置設(shè)計(jì)

胡改玲，奚延輝，余珊珊，金 悅，桂 亮，王永泉，段玉崗

（1.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.西安交通大學(xué) 第二附屬醫(yī)院，陜西 西安 710004）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，私家車保有量逐年增加，使得城市停車難、停車亂的問題日益突出，嚴(yán)重影響了人們的日常生活水平和交通狀況。現(xiàn)有的立體停車裝置，一般為單體立柱式、巷道堆垛式、循環(huán)平移式等。這些裝置一部分以單體立柱式車庫(kù)為代表，采用移位低層車輛存取高層車輛，停車過程繁瑣且耗時(shí)較長(zhǎng)；一部分以巷道堆垛式車庫(kù)為代表，利用一排空間運(yùn)載車輛，單側(cè)或兩側(cè)空間存儲(chǔ)，空間利用率低；一部分以循環(huán)平移式車庫(kù)為代表，通過調(diào)度其他車輛實(shí)現(xiàn)全局存取，存取效率低，浪費(fèi)能源[1-7]。本文致力于提高停車設(shè)備存取效率和空間利用率，最大化地節(jié)省停車場(chǎng)的建設(shè)場(chǎng)地，從而有利于停車裝置的大面積市場(chǎng)化推廣。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文停車裝置采用上層托舉、下層跨越梳齒的復(fù)合交換方式實(shí)現(xiàn)汽車的存取。裝置共由3 層組成，第一層為地面層，可供自由停車或做倉(cāng)儲(chǔ)、綠化等其他用途；第二層為梳齒層，采用跨越式梳齒交換方式存取車輛；第三層為懸掛層，采用掛鉤托舉原理存取車輛。如圖1 所示，在二、三兩層車位之間設(shè)置搬運(yùn)層空間，搬運(yùn)裝置在該空間內(nèi)水平移動(dòng)完成車輛在入口區(qū)和指定車位的轉(zhuǎn)移。裝置一側(cè)為入口區(qū)域，通過升降平臺(tái)將車輛抬升或下降實(shí)現(xiàn)車輛在入口區(qū)域與復(fù)合搬運(yùn)裝置的交換。電源與控制板設(shè)置在入口區(qū)域其他空間處，維護(hù)方便。

圖1 停車裝置總體設(shè)計(jì)

1.2 車輛存取功能設(shè)計(jì)

用戶進(jìn)行存取車輛時(shí)，首先通過手機(jī)或者現(xiàn)場(chǎng)控制面板瀏覽停車位實(shí)時(shí)狀態(tài)，發(fā)送存取指令，然后車庫(kù)自動(dòng)執(zhí)行停車程序或者取車程序。停車程序中，首先判斷車位是否已滿，若已滿則不能停入，循環(huán)至起始處，等待下一位取車用戶；若未滿，則用戶可根據(jù)界面提示選擇停放車位，系統(tǒng)根據(jù)指令進(jìn)行停放，完成后將對(duì)應(yīng)車位狀態(tài)置滿，循環(huán)至起始狀態(tài)。取車程序中，用戶輸入取車信息，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行取車動(dòng)作，完成后將對(duì)應(yīng)位置狀態(tài)置空，循環(huán)至起始狀態(tài)。

2 復(fù)合交換存取機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 二層車輛存取

二層車位采用梳齒板承載車輛[8]。梳齒板按照梳齒條與主板的位置關(guān)系分為外梳齒板和內(nèi)梳齒板，外梳齒板梳齒條通過板中部實(shí)體連接，內(nèi)梳齒板梳齒條通過板邊緣實(shí)體連接，如圖2 所示。

圖2 二層梳齒載車板

梳齒結(jié)構(gòu)的作用是利用相鄰兩根梳齒形成的梳齒槽卡住汽車輪胎，從而使車輛在運(yùn)載平臺(tái)上保持相對(duì)穩(wěn)定。內(nèi)外梳齒板結(jié)合使用，即車輛的存取是通過兩塊內(nèi)梳齒板的梳齒條在一塊外梳齒板的梳齒間隙中進(jìn)行上下平移，從而實(shí)現(xiàn)車輛在內(nèi)外梳齒平臺(tái)上的交換。

2.2 三層車輛存取

三層載車板如圖3 所示，位于四角的溝槽用于連接圓柱凸緣支撐部分，條紋孔用于輪胎限位，中間四處圓孔與定位銷焊接成一體，作為下方復(fù)合搬運(yùn)裝置的4 個(gè)圓孔的定位承載部分。

圖3 三層載車板結(jié)構(gòu)

為了節(jié)省高空停車的空間，如果通過單層的搬運(yùn)器與其上下兩層停車位均可完成車輛的存取工作時(shí)，便可節(jié)省搬運(yùn)器的運(yùn)行空間，同時(shí)減少搬運(yùn)器的數(shù)量，從而節(jié)約停車所需空間。所以在搬運(yùn)器與第3 層車位進(jìn)行車輛存取時(shí)，設(shè)計(jì)了一款機(jī)械抓鉤，以實(shí)現(xiàn)載車板在小位移托舉升降中出入三層停車位，實(shí)現(xiàn)三層載車板的自解自鎖，從而實(shí)現(xiàn)三層車輛的存取，設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 機(jī)械抓鉤結(jié)構(gòu)圖

該抓鉤由3 部分組成：一塊主抓鉤、一塊導(dǎo)向片和一個(gè)扭簧。扭簧的作用是使導(dǎo)向片與掛鉤始終保持閉合，主抓鉤上側(cè)的小圓柱對(duì)導(dǎo)向片進(jìn)行限位。利用抓鉤停放載車板的過程如圖5 所示。

圖5 抓鉤停放載車板原理圖

當(dāng)載車板的圓柱凸緣向上頂起主體抓鉤時(shí)，抓鉤的有效作用曲線段將會(huì)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使得圓柱凸緣繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)并頂開導(dǎo)向片。完全頂開以后，載車板下移一定距離，同時(shí)導(dǎo)向片在扭簧的回復(fù)力作用下閉合，完成載車板入鉤過程，從而完成車輛停放。

在進(jìn)行取車操作時(shí)，抓鉤取出載車板的過程如圖6所示。載車板向上抬升時(shí)，圓柱凸緣頂起導(dǎo)向片直至脫離。此時(shí)導(dǎo)向片在扭簧回復(fù)力作用下回到原位，圓柱凸緣則已抬升至抓鉤外部。然后圓柱凸緣隨載車板向下沿著導(dǎo)向片的外側(cè)曲線滑下，直至不再接觸抓鉤，完成脫鉤過程。

圖6 抓鉤取出載車板原理圖

通過布置4 個(gè)抓鉤抓住載車板的四角，可實(shí)現(xiàn)車輛的平穩(wěn)放置。如圖7 所示，通過抓鉤將車輛平穩(wěn)地停放在三層車位的載車板上。

圖7 車輛停放在三層車位

2.3 復(fù)合搬運(yùn)器設(shè)計(jì)

車輛在入口區(qū)域和指定車位的轉(zhuǎn)移通過復(fù)合搬運(yùn)裝置實(shí)現(xiàn)，其工作原理與三維模型如圖8 所示。

圖8 復(fù)合搬運(yùn)器

復(fù)合搬運(yùn)器裝置為中空結(jié)構(gòu)，可容納一輛車。運(yùn)行時(shí)在搬運(yùn)空間平移，往返于入口和指定車位。復(fù)合搬運(yùn)裝置開發(fā)有兩套動(dòng)力系統(tǒng)，可以分時(shí)完成二、三層車輛的存取，該動(dòng)力系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是齒輪齒條嚙合運(yùn)動(dòng)。

復(fù)合搬運(yùn)裝置的兩窄邊處設(shè)計(jì)了與二層車輛交換裝置，結(jié)構(gòu)為一塊內(nèi)梳齒板和兩條齒條固定連接，齒條在導(dǎo)軌內(nèi)由齒輪帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)升降，升降裝置由電控系統(tǒng)保持同步。在梳齒板升降中實(shí)現(xiàn)二層車輛存取。復(fù)合搬運(yùn)裝置的兩長(zhǎng)邊處各自裝有兩條導(dǎo)軌和齒條，4條齒條與一塊托板固定連接，齒條在導(dǎo)軌內(nèi)由齒輪帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)升降，托舉板存在4 個(gè)圓孔與載車板的定位銷配合進(jìn)行定位承載，齒條運(yùn)動(dòng)由電控系統(tǒng)保持同步性。在托舉板升降中實(shí)現(xiàn)三層車輛存取。

3 軟硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件按照功能可劃分為主控模塊、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)、限位模塊、藍(lán)牙模塊和人機(jī)交互模塊?？刂葡到y(tǒng)是以 STC90C516RD+單片機(jī)為核心、以TB6600 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)[9-10]，通過HC06 模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與手機(jī)的串口通信完成指令的輸入，通過單片機(jī)與VGUS 顯示屏的串口通信完成狀態(tài)提示功能[11-12]。電機(jī)位置和速度的控制均由脈沖數(shù)和脈沖頻率控制。通過軟件編程實(shí)現(xiàn)了復(fù)合搬運(yùn)器與車輛的智能存取，人機(jī)交互界面和手機(jī)界面的開發(fā)，進(jìn)一步提高了存取車輛的智能化和人性化。設(shè)計(jì)制作出的立體停車裝置如圖9 所示。

圖9 立體停車裝置實(shí)物圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種能實(shí)現(xiàn)汽車復(fù)合交換的搬運(yùn)裝置，在存取車輛時(shí)，采用上層托舉、下層跨越梳齒的復(fù)合交換原理實(shí)現(xiàn)汽車的存取。在單向短距離運(yùn)動(dòng)中通過自鎖自解的車輛掛鉤裝置，可實(shí)現(xiàn)第3 層停車位載車板在小行程升降中入鉤存車自鎖及脫鉤自解取車，并通過內(nèi)外梳齒板相互錯(cuò)位實(shí)現(xiàn)二層車輛存取，大大提高了車輛停放的空間效率和存取效率。該裝置是筆者在指導(dǎo)學(xué)生參加第八屆機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽時(shí)提出并研制，獲得該屆大賽國(guó)賽一等獎(jiǎng)、陜西省一等獎(jiǎng)，并已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。