一種夾持輪胎式泊車裝置設計

杜 勇，解繼紅，劉嘉耀，馬曉晨，胡雅男

（晉中學院機械學院，山西晉中030619）

隨著汽車數量的急劇增加，停車難已成為亟待解決的問題，立體停車庫及相應的立體停車庫搬運設備成為研究熱點.［1～3］立體停車庫搬運設備主要有橫移臺車+有軌泊車機器人的組合式和無軌泊車機器人，無軌泊車機器人主要有載車板式、梳齒式和夾持輪胎式，其中載車板式需配有多臺載車板，梳齒型需要與裝有梳齒的支架配合使用，［2～3］因此本文設計了一款夾持輪胎式泊車裝置.

1 設計分析及整體機構設計

泊車裝置工作流程為：泊車裝置駛入汽車底盤下，夾緊機構自動調節(jié)適應不同輪距，夾緊輪胎并進行一次小幅抬升，在夾緊過程中需要具有自鎖性保障汽車的穩(wěn)定性；完成夾緊后抬升機構進行整車的抬升，將車輛放入車位之后，抬升機構和夾持機構依次復位，釋放車輛.

分析多種轎車的軸距、輪距、車長及重量等參數，確定自動泊車裝置寬度為1200mm，長度為4900mm，高度為120 mm，工作載荷為2 000Kg.

圖1 泊車裝置整體結構

基于以上分析，泊車裝置主要由夾持機構、抬升機構、行走系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)組成，整體設計結構如圖1所示.

2 夾持機構設計

2.1 夾持機構結構設計和運動分析

夾持機構（如圖2）中蝸輪蝸桿帶動夾持臂進行90°的旋轉運動完成夾持臂的伸縮，通過正反牙雙頭梯形絲杠使兩個夾持臂在滑軌上相對運動，調節(jié)軸距進行輪胎的夾緊.夾持臂圓柱面加工有梯形槽，使夾持臂與輪胎能夠良好接觸，同時，蝸輪蝸桿具有自鎖性，保障夾緊輪胎后的穩(wěn)定性.

圖2 夾持機構

夾持機構可依據不同軸距進行自動調節(jié)，有以下兩種情況：

（1）當軸距L1較大時，外側夾持臂先碰到輪胎停止運動，內側夾持臂在絲杠帶動下繼續(xù)動作，夾緊輪胎，如圖 3（a）所示；

（2）當軸距L1較小時，內側夾持臂先碰到輪胎停止運動，外側夾持臂在絲杠帶動下繼續(xù)動作，夾緊輪胎，如圖 3（b）所示.

圖3 夾持機構運動

圖中V1是搖臂相對于地面的絕對速度，V2是夾緊機構支撐板相對于地面的絕對速度.

2.2 夾持機構受力分析及動力選擇

如圖 4（a）所示，輪胎半徑為 r，搖臂中心距地面高為 a，則 OA=OB=OC=r，OD=r-a，FN為夾持臂對輪胎的支持力，擬定車重力為4mg，每個輪子承重為mg，由輪胎受力分析圖可得出：

圖4 輪胎及夾持臂受力分析

如圖4（b）所示，b為夾持臂固定端，a為自由端，L為夾持臂長度，夾持臂直徑為d，F為輪胎對夾持臂的正壓力（F=FN），M為彎矩，夾持臂最大拉應力σmax=，許用切應力［σ］＞，其中抗彎截面系數Wz=，截面面積S=π（）2，若滿足最大拉應力σmax和許用切應力［σ］，取安全系數為1.2，則夾持臂直徑d=42 mm符合設計要求.

在夾持機構中，蝸輪蝸桿傳動比為1:30，選用28BYG250C-0071型步進電機，夾持臂承受轎車重量產生的負載通過雙頭絲桿傳遞給其驅動電機，經計算，選用42BYG250C-0151型步進電機.

3 抬升機構設計

抬升機構如圖5所示.

抬升機構完成汽車的抬升與下降動作，其主要結構為電動機（86BYG350AH-0201型步進電機）、行星減速器（1：8）、螺旋千斤頂、剪叉梁、滑軌等組成，其工作原理為：夾持機構的夾持動作完成后，電動機帶動螺旋千斤頂的螺桿旋轉（伸長或縮短），其力作用于剪叉機構中有滑塊的一端，使剪叉機構角度發(fā)生變化而使滑塊運動，從而實現剪叉梁抬升或下降.

圖5 抬升機構

4 行走系統(tǒng)設計

行走機構采用如圖6布置的麥克拉姆輪作為行走輪，由分析可得出：

圖6 行走系統(tǒng)布置

其中a為車體中心距輪子左右的距離（m），b為車體中心距輪子前后的距離（m），r為車體中心距輪子的距離（m），Vy為輪子 y軸方向的速度（m/s），Vx為輪子 x方向的速度（m/s），ω 為車體中心角速度（rad/s），ω1、ω2、ω3、ω4分別為 1、2、3、4 號四個輪子的角速度（rad/s）.

依據以上分析，四個麥克拉姆輪分別由四個驅動電機（SH30506三相單/雙脈沖步進電機）獨立控制，即可實現泊車裝置的前進、橫移、斜行、轉彎等全方位移動，行走速度為30m/min.

5 小結

該泊車裝置可以進入汽車底部，采用蝸輪蝸桿伸開夾持臂，電機驅動絲杠帶動夾持臂在滑軌上相對運動調節(jié)軸距夾緊輪胎，剪叉式升降結構抬升汽車，全方位行走系統(tǒng)完成汽車移動.本文僅對泊車裝置進行了結構設計和驅動設計，在自動定位、路徑規(guī)劃等方面還需進一步研究.